那些听过却从未搞明白的问题(“全球十大教师”之一 大卫·加耶，探索40个常见却让人似懂非懂的问题，更新知识，重建常识，让大脑冲个凉水澡！)
Author: 大卫·加耶
Date: 2020-02-29T16:00:00+00:00

目录

前 言

.1.住你楼下的邻居为什么比你活得久？

.2.水的沸点在珠穆朗玛峰之巅是多少？

.3.人眼有几百万像素？

.4.《星球大战》里的飞船违背了哪些物理定律？

.5.“π”的粉丝

.6.给我一个支点，我将会撬起整个地球

.7.和一个外星人交朋友的概率有多大？

.8.不存在的颜色

.9.一朵云等于几头大象的重量？

.10.左撇子没那么稀罕，只是有点特别罢了

.11.花椰菜中隐藏的几何秘密

.12.如何逃离地球？

.13.恋爱的粒子

.14.机器人将来会掌控我们吗？

.15.关于地球的真相和谎言

.16.为什么天空是蓝色的？

.17.时间存在吗？

.18.为什么宇宙和你的房间一样，总是很容易变得一片混乱？

.19.未来，我们会变成半机器人吗？

.20.一个沙子堆成的城堡能多高？

.21.怎么划分银河里的各种文明？

.22.无铅汽油和地球的年龄有何关系？

.23.为什么月球抛弃了我们？

.24.镜子是什么颜色的？

.25.儒勒·凡尔纳是预言家吗？

.26.把一个足球送上太空要花多少钱？

.27.晶体管不（只）等于收音机

.28.为了进行重力实验，伽利略摔坏了多少苹果？

.29.宇宙中哪里最冷，哪里最热？

.30. “意外发现”和致幻剂有什么联系？

.31.时空共振

.32.你属于理科，还是文科？

.33.需要几只蜘蛛才能刹住一架波音747？

.34.风力发电机和霹雳车之间有什么共同点？

.35.科学不只是男孩的事

.36.南北磁极倒置的话会发生什么？

.37.怎么在水面行走？

.38.地球为什么会变暖？

.39.未来，世界地图是怎样的？

.40.关于宇宙中我们不知道的一切

版权信息

书名：那些听过却从未搞明白的问题

作者：大卫·加耶

出版方：四川文艺出版社

出版时间：2020年5月

ISBN:9787541155994

版权所有 侵权必究

献给那些永远好奇、充满疑问的人们

献给克里斯蒂娜，我的编辑

献给赛尔赫，一直支持着我的朋友

没有他的帮助就没有这本书

（可以说，他的帮助代表了很多人对我的支持）

献给我写书过程中遇见的每一个人

他们多多少少都教会了我一些事

献给我在本书中提到的每一个人

他们在过去和现在为我带来了灵感

献给我在书中没有提及，但是爱着我的每一个人

感谢你们一直陪伴我

最后，我要特别感谢我的“Unicoos”[ Unicoos是本书作者大卫·加耶（David Calle）成立的一个非营利性教育组织，在其官方网站及知名视频网站YouTube上发布了许多物理、数学、化学、机械等学科的中学课程和大学初级课程，旨在为青少年们提供一个免费学习知识的途径。]伙伴们一直陪伴在我身边

你们是这场冒险旅程的主人翁

我期待着在未来的某一天，你们将会解开那些至今无解的谜题

我之所以成为现在的我，是因为我们组成了Unicoos。

#我们都是Unicoos#

前  言

我懂得要如何去欣赏一片风景、一首歌曲、一部电影，

享受与我爱的人一同相处的每分每秒。

我不会试图去改变这种生活。

我不清楚我的时间还剩多久，

但我相信，余生的每一秒都会让我热情澎湃。

—《用尽每一秒》

如果把宇宙漫长的历史浓缩成一年的时间，那么人类仅存活于这一年的最后一秒中。但对我们来说，这一秒即几千年的时光。毕竟，同许多事物一样，时间是一个相对的概念。假如你有幸能够健康长寿，那么你的一生将会拥有20亿秒的时间，虽然其中三分之一的时间都是在睡觉中度过的，但在剩下三分之二的时间中，你都处于清醒的状态，可以把时间用在体验生命、享受人生上，让这些时光成为激情四射的时刻。

读完这本书预计会花掉你生命中0.0005%的时间，也就是在7200~14400秒之间。这和观看《银翼杀手2049》或《星球大战》原版三部曲的时长是相同的。但如果你花好几年的时间来阅读此书，或许你会发现，现在不容动摇的某些事实或真理在未来已经没有任何存在的意义了。没有永恒不变的事物。赫拉克利特[ 赫拉克利特：古希腊哲学家，代表作为《论自然》。]在两千多年前就预言过：“唯一永恒不变的只有变化本身。”这也是科学最精彩的部分，千千万万个致力于科学研究的人在不停地工作，发挥自己天才般的创造力。因为他们，我们的科学一直在改变，在进步。阅读这本书的你如果还在上学，也许会在未来的某一天成为他们中的一员吧，谁知道呢？

爱因斯坦曾说过：“你不要渴望用相同的想法和做法来获得不同的结果。”近几个世纪以来，尤其是近几十年以来，人类科学技术的飞速进步来源于对已有成果的不断推翻和重建，但在一些至今无解的问题上，我们依然被困在原地。过去，没有哪部科幻电影会用吸引了无数人的动作镜头或者特效来处理一些小细节，更不会引发我在电影结束后的进一步提问。时至今日，《星际穿越》《黑镜》等成为最让我着迷的片子，这些影视作品太特别了，它们引发了我无数的疑问。这或许能解释为什么我是个“怪胎”，为什么我一开始是一名工程师，然后又成为一名教数学和物理的教师。我曾就这些影视作品中的某些内容，请教过一些懂得更多知识的人（不得不感叹，比自己厉害的人真是太多了），并得到相应的解答。对于另外的一些现象，我在图书馆和网络上自行找到了合理的解释。然而，关于更多的问题，我无论多努力地寻找可以解释它们的理论知识，都无法得到满意的答案。是的，我尝试过，可依然无法解释电影中的某些现象（我对自己的能力范围还是了解的，我只是一名普通的教师，很多现象都超出了我的理解范围）。但是，在试图理解这些内容的过程中，我多多少少学到一些东西。这正是学习的奇妙之处：在学习的过程中，你会收获意料之外的东西，它们很可能成为你下一个问题的答案。当然，也有可能成为我下一次上课时讲给学生们的一些奇思妙想，以此来激发他们的灵感。这招屡试不爽。

因此，这本书的目的不只是给你提供这四十个问题的答案。我对这本书的期望很简单：我希望，读完此书的你，能够开始有意识地去发现并探索身边一切现象所涉及的科学道理，并且不要满足于别人给予的现成答案，不要满足于已有的一切解释。这就是我唯一的愿望—在某种程度上激励你形成自己的思维体系。如果你也是一名教师的话，希望本书能给你一点改变课堂的灵感。又或者，让你养成一个提问的习惯—不管是什么问题。然后，希望你通过自己的努力去寻找这些问题的答案，而非求助于奥林匹斯众神来解决这些问题—这些神话人物只能告诉你一些存在于神话和想象中的答案，但完全没有一点道理。好吧，虽然所有的星座和星球都是以他们的名字命名的。

.1.住你楼下的邻居为什么比你活得久？

看看身边的钟，嘀嗒嘀嗒地走着，一直保持着同一个节奏，像前进的列队一样永不停歇。嘀嗒、嘀嗒……不管被放在哪里，也不管被移动的速度是快是慢，所有的钟都保持统一的节奏运转着。我们通常认为我们所处的宇宙遵循牛顿运动定律，根据定律，宇宙中不同的空间坐标和时间坐标是彼此独立的，即“绝对时空观”。时间的前进不会受任何事物的干扰，就这么嘀嗒嘀嗒地走着……

然而，我们的这种想法仅仅来源于表面上的感觉，在通常情况下，我们的感觉往往不正确。早就有研究表明，时间并不是完全一成不变的，它其实是最能够被改变和调整的一个概念。这是天才物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发布的狭义相对论中提出的一个观点。这一年中，爱因斯坦发表了五篇划时代的物理学论文，颠覆了整个科学界，因而被称作“爱因斯坦奇迹年”。

爱因斯坦发现：在不同的运行速度下，时间的运转会发生变化。打个比方，假设我现在是静止不动的，而你骑着自行车前进（自行车是爱因斯坦最喜欢的交通方式），那么你的时间会比我的时间走得慢。对于在自行车上的人（处于运动状态的人）来说，时间会变慢，我们通常称这种物理现象为“时间膨胀”。那为什么我们平时没有察觉这个现象呢？那是因为这是“相对论效应”之一，相对论提出这种现象只有在以“相对论速度”运行的时候才能被人感知—也就是以光速前进。

光的速度在真空中约为3×108米/秒，对所有惯性参考系来说都是如此，因此光速是一个绝对概念，也是宇宙中物体运动速度所能达到的极限。这是爱因斯坦相对论成立的一个基础前提。在日常生活所能达到的运动速度下（如自行车的前进速度），两个人之间时钟快慢的差别微乎其微，但是不能说不存在。

然而，如果两个人中有一个人乘上一艘极快的宇宙飞船去旅行呢？在这种情况下，著名的“双生子佯谬”实验就出现了，这是一些物理学家为了阐释狭义相对论而提出的一个有趣故事。想象一下，地球上有一对双胞胎，其中一个马上要登上一艘以光速前行的超级飞船来进行太空长途旅行，而另外一个没那么有冒险精神，准备留在地球上等他的兄弟归来。我们假设这个飞船去了离地球最近的星系—半人马座阿尔法星（距地球约4.4光年），他的前进速度是光速的0.8倍。

当做太空长途旅行的他回家时，这对双胞胎会惊讶地发现：在启程时，他们还是一样的年龄，而现在，留在地球的那个已经比他的兄弟老了4岁。地球上已经过去了10年，而在飞船上只过去了6年（这涉及另外一个“相对论效应”—空间收缩效应。根据这个理论，宇航员的飞行距离会比理论上的距离短）。时间对于两个人而言，并不是以同样的速度在变化的。在旅程中，我们这个冒险家比他的兄弟少过了4个生日。所以说，如果飞行距离足够远、飞行速度能达到光速，那么当他回来时，太阳可能已经变成了一颗红巨星[ 红巨星：一种演化晚期的恒星，是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段。]（到这个阶段，大约已经过了50亿年的时间），地球也已经被太阳吞噬了。简而言之，如果我们认定光速不变，那么时间和空间坐标就会互相影响，并随之变化，只有这样才符合物理定律。

那么，我们怎样才能确定这些都是真的呢？虽然目前以光速实现星际旅行的可能性不太大，但在1971年，物理学家乔·哈菲尔与理查德·基廷已经用实验证明了相对论。他们将一个高度精确的铯原子钟（铯是非常珍贵的稀有元素）放在飞机上，让飞机沿直线先向东、后向西飞行，同时把另外一个一模一样的钟留在美国华盛顿的海军气象天文台做对照。经过实验，他们发现同狭义相对论中的预测一致，两个时钟确实走得不一样。尽管差距极小，但高度精确的铯原子钟能够显示出这种差距。

科学逸事：证明相对论的另一种方法—通过检测μ子（渺子）数目来观察。这是弗里希和史密斯两人在1963年进行的实验。渺子是一种带负电微粒，质量为电子的207倍，能够在大气中通过宇宙射线的作用被检测出来。一个渺子的平均生成时间大约是22微秒，之后会自然衰变成其他粒子。弗里希和史密斯两人发现，靠近地面实际检测出的渺子数目远远大于理论数目—通过理论计算得出，地面处应该仅仅只有27个渺子存在（渺子在飞行过程中理应进入衰变期），然而实际检测到412个渺子。我们大概可以这么解释这种神秘的现象：当渺子以趋近光速的速度飞行时，这些微粒的时间走得比静止在地面上渺子的时间要慢得多。同上一个例子中的宇航员一样，这些渺子衰老得更慢，进入衰变期的时间也比地面上计算出的时间更长。因此，在地面附近检测到的渺子数目比预想的多。

但这还不是全部。爱因斯坦在发布狭义相对论后继续进行研究，直到发布了一个更加先进的理论—1915年公布于世的“广义相对论”。“广义相对论”把宇宙中的引力场解释为时空局域的几何性质表现。这个理论涉及宇宙大爆炸理论、宇宙的未来以及黑洞。这个理论表明：除了一个处于高速运动状态的时钟会走得更慢，一个更强的引力场也会让时间变得更慢。举个例子，地下室中的时钟会比在顶楼的时钟走得慢，因为引力场的强度会随着到地心距离的增加而减弱。所以说，如果你住在低楼层，那你就是个幸运儿……同理，在日常生活中，我们之所以无法感受到这种变化是因为引力场的差异微乎其微，但是如果你能处于电影《星际穿越》的场景，那你就会明显感受到这种现象。在电影的一个情节里，有一队的宇航员需要离开飞船，降落在“米勒”星球。这个星球位于一个叫“卡冈图雅”的超大质量黑洞中，这里的引力场极强。同时，有一个宇航员留在了飞船上站岗。对于离开飞船的那些宇航员来说，只过了一小会儿（我无意剧透，但在电影中确实如此，他们只是去经历了几个冒险罢了），但是当他们回到飞船上时，他们发现站岗的伙伴已经变成一位老人了。因为在米勒星球的1小时等于在飞船上的7年。

在地球上，人们也通过高度精确的铯原子钟证实了这个效应。实验者把铯原子钟放在不同的高度上，果然探测到这些相同的时钟之间产生了几纳秒的差异，正如广义相对论中所预测的一样（由此可见，为了确保GPS定位卫星系统的有效性和准确性，我们必须把这个效应考虑在内）。下一次，当你去实地考察你将要居住的房子时，请你记住爱因斯坦的理论，以及这个效应。毕竟，时间就是金钱，而且是一直在流动的金钱—嘀嗒、嘀嗒……

.2.水的沸点在珠穆朗玛峰之巅是多少？

从小我们就知道，水在温度达到100摄氏度时就会沸腾。水在这个温度被烧开之后，我们就可以煮面条或者煮汤了。但是，这个说法其实并不完全正确。毕竟，在科学领域任何一句话都是相对的概念。所以说，水的沸点也是由很多条件共同决定的。

首先，我们要搞清楚的是：液体怎么才会沸腾？一种液体，比如说水，是由很多个分子构成的，若这些分子处在一种比较松散的状态，相互之间的作用力就比固态时小—水的固态就是冰，冰的分子间作用力大于水的分子间作用力—那就会以液体的形式存在。我们平时说的“温度”实质上形容的是组成物质的分子振动频率：一个物体的温度越高，组成它的分子振动频率越高（当分子不再运动的时候，这个物体将会是目前所知的最低温度，即“绝对零度”—零下273摄氏度，也等于0开氏度。虽然热力学原理和量子物理学有研究表明物体不可能达到这种温度）。因此，当某个物体沸腾时，也就是从液态变为气态时，这些分子的振动频率已经达到一定程度，能让它们摆脱液态时分子之间彼此的相互作用力，然后变得更加松散，融入组成空气的分子之中，形成气体。就这样，水分子不再处于液态时的相互牵制状态，进入到自由游走的气态，各个分子都努力地想要占据更多的空间。事实上，这个现象包含了很多隐藏的条件，比如，我们所说的水在100摄氏度沸腾，指的是纯水和蒸馏水—没有任何杂质溶于其中的水。然而，我们平时喝的水都含有各种各样的杂质，你可以随便从商店里挑一瓶矿泉水出来，看看上面的成分表，上面都写着：钙、镁、钠、铁、碳酸化合物、硫酸化合物……

举个例子，我们厨房中用的盐其实就是氯化钠，当我们往水里加入足量的氯化钠时，这杯水的沸点就会升高。也就是说，这个时候要烧开水需要达到比100摄氏度更高的温度。把1升水的沸点提高1摄氏度需要往里面加大约58克的盐。同样地，这样也能降低水的凝固点—在这个时候，水在低于0摄氏度的时候才会结冰。这是因为组成氯化钠的离子融入水分子之中，让水分子很难凝固成冰。这就是为什么在寒冷的冬天，我们通常会往公路上撒盐，就是为了避免水结冰引发的交通事故。

另外，我们平时说水在100摄氏度会沸腾，是通常默认压强条件是海平面高度上的气压大小。要记住：我们通常都会承受一定的压力（当然了，我指的不是社交软件里聊到的工作压力），所有人都承受着空气重量带来的压力，也就是大气压力。同时，这个气压也会影响水的沸点—大气压越低，液体的沸点就越低。这是为何呢？因为液体中的分子在比较低的气压条件下，会更容易挣脱彼此之间的相互作用力，变成气态。低气压不会带给液体分子那么大的“束缚”。

科学逸事：1大气压=760毫米汞柱=1013毫巴=101300帕

“帕”即“帕斯卡”，是国际单位制中表示压强的基本单位。为纪念17世纪法国数学家、物理学家布莱士·帕斯卡，人们用他的名字来命名压强单位。760毫米汞柱的说法是有科学含义的（必须注意，汞有剧毒）：在1643年，一个叫埃万杰利斯塔·托里拆利的意大利物理学家、数学家曾做过一个实验，他在一根长1米、底面积为1平方厘米、一端密封的玻璃管中装满水银，用手指顶住另一端的管口，将其倒插进装有水银的水银槽里。然后，他放开手指，玻璃管中的水银柱立刻下降了几厘米，证明了存在大气压强，并且大气压强等同于这760毫米汞柱的质量。就这样，他发明了水银气压计。你可以用水来重复一次这个实验，但水柱可能达不到这样的高度。

那么，怎样才能降低压强，让水在更低的温度下沸腾呢？很简单，登上一座高山就行了。大气压强来源于位于我们上方的空气，那么如果我们所处的位置越高，在我们上方的空气就越少，压强也就越小。通过计算得出：海拔每升高10米，就能够降低1毫米汞柱的压强（1大气压=760毫米汞柱）。所以推算得出：在珠穆朗玛峰山顶，水的沸点比在阿利坎特[ 阿利坎特：西班牙东南沿海的一个省份。]的沙滩要低一些。

珠峰的海拔为8848米，通过计算，我们可以得出在珠峰顶上水的沸点是86摄氏度。在海拔11000米处，水的沸点是71摄氏度。那么，在海拔19000米处（等于奥地利人菲利克斯·鲍姆加特纳那惊世一跳的一半高度），即所谓的“阿姆斯特朗界线”[ 阿姆斯特朗界线：依照地理位置与大气环境的差异，通常位于18900~19350米的高空。]，又会是什么样的情况呢？在这个高度上，大气压强是海平面气压的十六分之一，此时水的沸点等于人的体温—36摄氏度。

凡人亦英雄：2012年10月14日，YouTube全球直播镜头中，在没有借助任何外在机器支撑的条件下，菲利克斯·鲍姆加特纳成为世界上首位成功完成超音速自由落体的跳伞运动员。在经历多次失败后，他终于做到了从距地面高度约3.9万米、悬挂在氦气球上的太空舱上跳下（这个氦气球由高韧性的塑料制成，厚度仅为0.02毫米）。他在40秒内达到373米/秒（1.343千米/小时）的速度，最后成功着陆。这个过程中，有几秒内他甚至处于间歇性失忆的状态。截至目前，高空自由落体世界纪录的保持者是阿兰·尤斯塔斯在2014年完成的—高度为41150米！

那么，假设菲利克斯的特制宇航服在这个高度上破损，会发生什么事呢？会自燃吗？不会。会爆炸吗？也不会（虽然在电影中有无数个这样的镜头）。实际情况会是：他的宇航服变为灰烬和粉末，喉腔黏膜等器官中的水分和眼泪都会沸腾，因此身体会变得干枯—但是不会燃烧起来，因为36摄氏度是身体能够接受的温度。也就是说，在此假设下，他最后会因为缺氧窒息而死。

科学逸事：血液会沸腾吗？答案是否定的，因为人体的血压比外界气压高70~120毫米汞柱（是的，就是你熟悉的那个体检项目—测血压）。海平面的压强为760毫米汞柱，在这个高度可以算出我们的血压位于830~880毫米汞柱之间。在这个压强之下，血液的沸点为47摄氏度。而在血液沸腾之前，我们就会因为被烤焦而死掉。

好了，话说回来，太空的环境温度介于水的“三相点”和“临界点”温度之间。“三相点”（水的三相点为0.01摄氏度，6.1173毫巴）是使得一种物质三相（气相、液相、固相）共存的温度和压强数值；“临界点”（水的临界点为374摄氏度，218大气压）是使得物质的某状态不存在的温度和压强的数值（水在临界点状态下，不存在液态，冰会直接变为水蒸气）。太空中的温度和气压条件小于水的三相点，这种情况下水会发生升华（物质直接从固态进入气态的现象），直接从冰变成水蒸气。你可以想象一下，一块冰直接变成水蒸气，而没有经过融化成水的这个过程。这就是太空里没有水滴飘浮的原因。

我把“水的沸点在珠穆朗玛峰之巅是多少？”这个问题发表在各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

Twitter

@pedagonval: @JesusCalleja[ 此处JesusCalleja在西语中有“耶稣的小心思”之意。]我相信你肯定知道！

@redex: 你说在微波炉里还是在锅里？

Facebook

@Carmen Peñalver Leon: 不会沸腾。当你真的爬到珠峰山巅的时候，水早就被你喝光了。

@Jose Luis Duran: 在珠穆朗玛峰山顶的水是不会沸腾的，很简单，因为没有哪个正常人会想要爬到世界最高的山峰上去烧水！

.3.人眼有几百万像素？

用你的闪光眼闪瞎我

用你的闪光眼闪瞎我

你知道我已经无处可藏

你知道我一无所有

对，我一无所有

—《闪光眼》

我们经常会听到“分辨率”这个字眼—高分辨率的电视机、DVD、蓝光光碟、手机摄像头……那么，人眼有分辨率吗？要回答这个问题，我们必须首先解决另外两个问题：什么是分辨率？人的眼球是怎么工作的？

分辨率是光学领域的一个概念，指的是某种仪器在一个图像中识别并分离两个物体的能力。举个例子，想象一下天空里有两颗看起来距离很近的星星，也就是说，这两颗星星的实际物理距离并不一定很近，可能是一个在前、一个在后，但总之这两颗星星的位置足以混淆我们的视线。如果你用一个低分辨率的望远镜来观察星空，可能你只会看到一颗星星，或者一块光斑，而不是清楚地看到有两颗星星。相反，如果你用的望远镜有很高的分辨率，那么你将会很清晰地看到两颗独立的星星。

其他的光学仪器也和望远镜一样，如摄像机。相机的分辨率越高，它能够识别并分离物体的能力越强，因而照出来的照片也就越清楚，一个低分辨率的相机照出来的照片一经放大处理，可能就变得很模糊，变成一颗颗的像素点。当一张照片的分辨率很高时，这张照片并不会因为被放大了很多倍就变成一颗颗的像素点。数码照片都是由一颗颗彩色的像素点构成的（可以将像素点认作照片的“原子”，是组成照片的最小单位）。所以，一张照片的像素点越多，看起来就越清晰，也就是说，这张照片的分辨率越高。一张超高分辨率的图片即使在经放大无数倍后打印出来，也不会变得模糊。

假设我们用一台照相机拍摄一张长方形的照片，有序排列的像素点在照片上排成1600列、1200行，那么分辨率就是这张照片上所有的这些像素点的数量。所以，我们可以把纵横的数字相乘（1600×1200），会得到1920000，即192万像素（这么大的像素对于我们来说已经足够了，平时我们使用的智能手机也就这么多像素）。但是，必须注意的是，虽然手机制造商总是追求更高的手机像素—随着科技的进步，手机像素确实也越来越高—但我们在购买手机的时候，也得考虑其他会影响手机相机质量的参数，比如传感器的大小、镜头特性以及照片处理软件的质量。

那么我们的眼睛呢？人眼有像素吗？首先，让我们先弄清楚人眼大致的工作过程：光线穿过我们的角膜，然后穿透我们的瞳孔（瞳孔会根据眼球接受光线的强弱自行收缩或放大）和眼球晶状体（晶状体有点像照相机的镜头，它可以调节远近物体的形象，然后把物像反映在视网膜上）。最终的图像会形成于视网膜上，视网膜位于眼球最内部，类似于屏幕的作用。落在视网膜上的光线会产生一系列化学反应和电流反应，刺激我们的视网膜神经元，然后再被传递到大脑皮层，大脑就会开始自动分析处理视网膜上的图像。

科学逸事：正如我们上面分析的，人眼其实是一个非常复杂的器官，既要接受并聚焦外来光线，还要将光线转化为电信号。同时，大脑也要对肉眼接收到的图像信息进行同步分析处理。真是高科技！这个过程被那些不相信达尔文进化论的“创世主义者”当作“上帝用七天创造万物”的例证，他们觉得《圣经》里的说法是正确的，他们认为这种复杂的过程只有神才能做到，而绝非进化过程中的偶然产生。他们认为是上帝发明了人类的眼睛。那些人工智能的拥护者也持类似的看法，只不过他们把前者的宗教色彩换成了一种更高级巧妙的说辞。总而言之，虽然人工智能的支持者反对创世主义者的说辞，二者的想法本质上却差不多。

实际上，这个说法并不准确。科学家（如著名生物学家理查德·道金斯）已经证实人的眼睛是如何在自然选择中一步一步进化的，所以说，眼睛并非一开始就是非常完美的器官，它的进化显示了由于进化的随机性而产生的各种缺点和不完美。就连人类的超级器官—大脑，也充满了进化上的缺陷。如果人类是被预先设计好再创造出来的，那么这个设计一定是完美的，不会存在累赘之物（毕竟没有人会认为上帝是个差劲的设计师）。

回到我们的主题上来。肉眼接收到外部光线，这些光线在我们眼球后壁部的视网膜上被转化成电流信号。那么，视网膜上到底有什么呢？有两种感光细胞—视杆细胞和视锥细胞。这两个细胞由它们各自的形状而得名。人眼中有大量的感光细胞，其中视锥细胞大约为六百万个，剩下的视杆细胞大约有一亿个。这些细胞都有特定的功能：视锥细胞位于视网膜中部，负责感受光的颜色，识别出蓝光、红光和绿光；视杆细胞位于视网膜外围部分，负责感受光的强弱。所以说，在黑暗的环境中，有时通过眼角的一瞥，我们只能瞧见非常微弱的一点光线。这时，就是位于我们视网膜边缘的视杆细胞在起作用。

讨论到这儿，我们已经可以回答一开始提出的问题了—什么叫人眼的分辨率？显然，分辨率这个说法是我们自己做的一个类比罢了，毕竟人眼和数码相机还是不一样的。

刚开始碰到这个问题，大家会发现：其实不能完全将人眼比作一台相机，毕竟人眼随时随地都在接收外在的光线并形成图像，没有一刻处于休息状态。而且，截至目前，从我们的肉眼捕获光线信息到在大脑中形成图像的整个过程，都不能被任何相机或者人工智能复制。所以说，相对于“相机”而言，人眼其实更像个“摄像机”。但是我们能够计算出人眼大致的分辨率数值。前文提到过，人眼中大约有六百万个视锥细胞，如果我们把这些细胞比作像素点，那么人眼就有600万像素的分辨率。但我们也不能忘记还有一亿个左右的视杆细胞，所以加起来，人肉眼的分辨率大概就是1.06亿像素。

同时，我们还要考虑到眼球会转动的情况。眼球的转动使得我们能够看到非常广阔的外部环境。假设我们的视角为横向120°、纵向120°，如果每个像素点为0.3角分[ 角分：又称弧分，符号为“ ′”，是量度角度的单位。]，那么我们最后可以得出肉眼的分辨率大约为5.76亿像素。这是美国地质局的罗杰·克拉克博士（Dr. Roger Clark）通过计算得出的数据。手机相机的分辨率一般为200万、500万、1200万甚至1600万像素。世界上分辨率最高的相机是著名的“暗能量相机”（由美国能源部费米国家加速器实验室在伊利诺伊州巴达维亚市建造的），一共有5.7亿像素，这项工程花费了35亿美元。由此可见，人的眼球还是有很高的内在价值的啊。

.4.《星球大战》里的飞船违背了哪些物理定律？

在距地球表面600千米的高空中，

声音无法传播，没有大气压，更没有氧气。

太空中不可能存在生命。

—阿方索·卡隆执导的电影《地心引力》

我不知道我小时候到底看过几百遍《星球大战》三部曲。但比起看这部电影，我其实更喜欢听电影里的各种声音。我沉迷于激光剑的碰撞声，一听到这个声音，我就会拿起身旁最近的棍子（通常是一把扫帚）在走廊里不停地挥舞，用嘴巴模仿激光剑打斗的“咻咻”声。除此之外，我还酷爱自行“搭建”飞船（或者说，长得像飞船的不知名物体），让两艘“飞船”在客厅中间互相战斗。同时，我在一边不停地模仿飞船的射击声，或者是飞船被撞毁时的爆炸声。

以前，我总是幻想着帝国舰队那些埋伏在某处的钛战机的样子—实际上就是由一个球状物两边连着像太阳能板一样的物体构成的。帝国舰队的钛战机去追踪那些反叛联盟的X翼星际战斗机，这个战斗机以它的X形机翼而闻名，有点像卢克·天行者驾驶的战舰。毫无疑问，《星球大战》这部传奇电影最让人难忘的场景正是那些在宇宙最深处发生在战舰之间的激烈战斗。激光剑发出的一道道红绿光在宇宙中不停地闪烁，剑的碰撞声和战舰爆炸的声音此起彼伏……不过，等等，碰撞声？爆炸？外太空里的噪音？随着年岁的增长，在学习了物理知识后，我意识到这是不对的。如果我们离开地球，那么我们会被寂静永远包围，再也无法听到任何声音—不会有任何噪音、爆炸声干扰着我们，同时也不会有美妙的夏日歌谣。可是，这是为什么呢？

声音其实是一种波。我们的耳朵接收到声波，接着外耳道鼓膜在声波的影响下振动，最后我们的大脑收到信号再将声波转化成信息。这个过程的结果就是，我们能够听到各种各样的声音：说话声、哨子声、“轰”的爆炸声，还有莫扎特的音乐。但同时，这个过程的发生需要一个很重要的条件，即波需要介质才能传播。比如说，海浪是通过水来传播的一种波，如果我们摇晃一根绳子，绳子可以自行传播这种摇晃的波，因为它本身可以构成传播介质；又比如说，我们把一个石子扔进水塘里，激起了水波，水波通过水的表面来扩散并传播；再比如说，地震波也是通过组成地球的物质来传播的。同理，声波实质上是一种压力波，可以通过水、空气等介质传播，传播的介质是什么取决于我们所处的环境。不管在何处，声波的传播都需要借助介质，从本质上而言，声波传播的过程即能量在介质中传递的过程。声源振动的能量让组成介质的一部分分子产生振动，而这部分分子振动的能量又会继续影响下一部分分子，这样就形成了波的传播。

声波传播的速度会根据介质的不同而变化。介质的密度越大，声波的速度越快，毕竟在密度大的介质中分子之间的距离会更小。因此，声音在水里的传播速度比在空气中更快。这也就是为什么在水里能实现更快的沟通和交流，那些聪明的鲸鱼彼此之间隔着好几公里，却仍然能够听到彼此发出的声音。当然啦，声音通过固体传播会比通过液体还要快些。所以，如果我们把耳朵贴在火车轨道上（这个场景在很多逃犯电影中都出现过，但我个人并不推荐大家效仿），就会听见远处的火车发出的声音，然而在空气中，我们却什么也听不见。这就是因为声音的传播速度在火车轨道中比在空气中要快得多。同理，如果我们想要知道邻居家在讨论些什么，把耳朵贴在墙上会听得更清楚。当然，这个行为我也并不推荐。

事实上，大多数情况下我们既不生活在水里，也不会时常把耳朵贴在柱子上或墙上。所以对于人类而言，在大部分情况下，声音的传播速度即在空气中的传播速度为：340米/秒，1.225千米/小时。目前，只有我们在第二章中提到的菲利克斯·鲍姆加特纳和几种世界上最快速的飞机做到了超越声速前进，这种速度我们称之为“超音速”。那些超音速飞机在以足够快的速度飞行时，在超过声速的时刻，会发出剧烈的声响。也许你看见过这样一幅照片：仿佛是在神奇魔力的作用下，一架歼击机凭空从一朵云中飞出来了。在照片中，飞机后的白盘状云朵是飞机以超音速前进时，在冲击波的作用下，形成的冷凝云。这个现象被叫作“普朗特-格劳尔奇点”。在《超人》系列电影的最新一部中也描绘了这个现象。不过超人已经不止一次、两次，而是连续五次实现了超音速前进……

流行小知识：“马赫数”是奥地利学者恩斯特·马赫提出的概念，是一个表示速度的无量纲参数。马赫以音速来定义一切物质的速度，在同一种介质中，一个物体的运动速度为V，声音在该介质中的传播速度为Vs，用音速来衡量一切速度，即1马赫为一倍音速，2马赫为两倍音速。这个方法为超音速飞行事业的发展提供了便利。看过电影《壮志凌云》的人应该对此都很熟悉吧：“以1马赫的速度前行。”“马维瑞克，是时候超过2马赫速度了！”

所以说，在地球的大气、海洋里，甚至是游泳池里，我们都可以听见声音，但是在外太空里（根据国际航空联合会的定义，外太空为距地表100千米之外的范围），没有任何物质存在，那么声波也就没有介质可以传播。好吧，严格来说，太空里还是有东西存在的：每立方米的环境中大概存在100万个物质原子（听上去很多，但实际上这些原子几乎可以被忽略不计），有的地方还有气体和尘埃云以及神秘的暗物质。外太空的温度大概为零下270摄氏度（3.15开氏度）。在这种情况下，由于环境中存在的物质过于稀少，声波几乎无法传播，而且人类也无法呼吸，因为根本没有氧气。

科学逸事：宇宙是一个并不利于生命生存的环境。如果把我们随机扔在宇宙中的任一角落，那么我们极有可能在一颗恒星上被烧焦，在太空里被冻僵，被吸入黑洞中，或者被困在一个完全不宜生存的星球上终结生命。只有在这个叫作“地球”的小小星球上，我们才能找到生存的最佳条件。可就算是地球，也有很多不适宜人类居住的地方：南北极、沙漠、深深的海沟以及陡峭的山峰。所以，正如美国物理学家及天文学家卡尔·萨根所言，我们应该认真呵护广袤宇宙中唯一适合人类生存的这片珍贵的土壤。

了解了以上知识，现在我们知道了，如果我们在外太空亲身经历一次爆炸，我们只能通过双眼看见爆炸，却不能听到任何的声音，就好像我们的耳朵里被塞进了棉花，或者是看电视却不打开声音的感觉。这种感觉很奇怪，但事实确实是这样。宇宙中只有极少数地方存在声音，这些地方具备声音可以赖以传播的媒介物质、声音接收器官（如耳朵）以及声波的信息处理器（如大脑）。

《星球大战》的导演乔治·卢卡斯确实不曾考虑过电影里的各种想象画面是否符合客观物理规律，但是无论如何，我都要感谢他，感谢他带给我的各种幻想、对地球以外世界的好奇以及我那吵吵闹闹的美好童年时光（可能我妈妈并不这么认为）。然而，并非所有科幻电影都是这样。“硬科幻”作品，即那些在畅想未来和外太空的剧情时试图将物理规律纳入其中的作品，还是比较有科学依据的（尽管如此，他们还是很难做到百分百严格地遵循物理规律）。这类流派的著名人物有美国作家艾萨克·阿西莫夫、英国作家亚瑟·查理斯·克拉克和波兰作家斯坦尼斯拉夫·莱姆。同样地，也有一些科幻电影特地描绘了太空中的寂静特点，如斯坦利·库布里克执导的《2001太空漫游》，还有最近由阿方索·卡隆执导的《地心引力》。在《地心引力》里，有这样一个桥段—乔治·克鲁尼饰演的角色和桑德拉·布洛克饰演的角色一同站在空间站中，静静地注视着地球。这时，布洛克问克鲁尼：“你最喜欢太空的什么？”克鲁尼深深地看着布洛克，答道：“安静。太空很安静。”

.5.“π”的粉丝

宇宙中所有的圆都是一模一样的，不同的圆之间唯一的差别在于—它们的直径不同。打个比方，如果说人类的头发、肤色、瞳色等等特征能被用来区分不同的个体，那么直径就是这些大大小小的圆形能够被区分开来的唯一变量。一旦我们知道了一个圆的直径，那么我们就了解了关于这个圆的一切。简单说来，这些圆形有的大、有的小……没有其他深奥的东西了。哦，忘记说了，圆还具有一个非常有趣的特征：一个圆形的周长和它的直径的比值是恒定的，也就是说，如果用圆的周长除以它的直径，不论这个圆是大是小，这个结果都是一个固定的数值。这个数值就是有名的“π”，等于3.1415926……后面是无尽的小数。

科学逸事：2500多年前，即公元前6世纪左右，有一位叫作毕达哥拉斯（公元前569年出生于意大利萨摩斯岛，公元前475年死于意大利梅塔庞托）的古希腊数学家，也是世界上首位真正意义上的数学家。他生前经常将很多音乐家、占卜学家、数学家和哲学家聚集在希腊，讨论那些在当时无法被解释的现象，找寻这些问题的答案。这群人自称为“毕达哥拉斯学派”的成员，用一个带有五角星的标志作为学派的象征，并宣称“数是万物的本源”。他们甚至创建出无理数的概念（但学派以死刑威胁所有门徒保守这个秘密）。也是他们最先证明出著名的“毕达哥拉斯定理”（又称“勾股定理”），即直角三角形的两条直角边的平方和等于斜边的平方。在多个世纪以前，古巴比伦人和古埃及人就已经在建筑工程中运用该定理来确定建筑物的直角，并且一直被沿用至今。举一个例子，据说著名的哈夫拉金字塔（建于公元前26世纪）就是在边长为3、4、5的直角三角形的基础上构造的。很显然，这个直角三角形的边长满足毕达哥拉斯定理（3²+4²=5²）。这个三角形对古埃及人而言意义非凡，因而被尊为“神圣三角”。这个定理为建筑业带来了极大的便利，在许多领域中都发挥着重大的作用，如建筑、占卜术等等。甚至，从未听说过“毕达哥拉斯”这个名字的古中国人也知道这个定理……

当然了，你们都知道在古希腊语中，“学校”这个单词是“闲暇”的意思吧，想必在古希腊，人们在课堂上都过得很滋润吧。

作为世界上最有名的数学常数，π有一个专属的节日—每年的3月14日为“国际圆周率日”（正好π约等于3.14）。现在，小孩们在小学时期就会学到有关“π”的知识，无数数学家和科学家热衷于计算π的数位。实际上，如果不了解π，人类也就无从系统地学习数学，而且在物理学和工程学中也会经常使用圆周率。π是一个无理数，也就是说，它是一个无限不循环小数，而非1/2或3/4这样的有理数。截至目前，人们已经计算出π的一百多亿的小数位，最新的数位进展来自两位计算机工程师—近藤茂和亚历山大·易。

古希腊哲学家早在几千年前就已经算出了较精确的圆周率数值。例如：阿基米德在其著作《圆的测量》中写到他通过连续采用多个内切多边形和外切多边形来逼近正圆的方法，算出了大致的圆周率。这也是π（pi）的希腊名称的由来—“周长”这个单词的字母简写（希腊文为periferia）。1748年，杰出的瑞士数学家莱昂哈德·欧拉在他的著作《无穷小分析引论》中普及了这种命名方式。随着计算科技的发展，圆周率“π”的数位计算越来越精确，当然了，电脑的出现更是让π的计算有了飞跃式的进展。在1946年，世界上首台计算机ENIAC问世，这台机器拥有占满整个房间的庞大体积，计算能力甚至达不到现在任何一台智能手机的千分之一，也计算出了π的2037位小数。随着计算机的发展，最新一代的计算机已经能够计算出π的一百多亿数位了。虽然数学家计算圆周率的小数位这件事看上去更像某种消遣的游戏，或是一种奇葩的爱好，但是计算圆周率时产生出的各种新方法最终往往被运用在其他科学领域。

科学逸事：记住，不要把π和另外一个名字近似的常数“Phi”（φ）混淆在一起。“Phi”被称作“黄金分割数”，约为1.618。这个数字和著名的“斐波那契数列”有关。在这个数列中，从第3项开始，每一项都等于前两项之和：0，1，1，2，3，5，8，13，21，34……这些数字恰好能够用来描绘自然界中较为常见的螺旋结构：螺旋星系、鹦鹉螺壳，还有向日葵籽的排列方式（当然，这里的排列指的是葵花籽还没被摘下来的时候）。

20世纪，一位英国的业余数学爱好者威廉·尚克斯用长达20年的时间研究并亲自计算出π的707位小数，遗憾的是，只对了525个数。事实上，一直都有人用尽全力想要赶在别人前面计算出新的π的小数位。后来，人们引入了计算机这个先进的设备，大家又拼命想要成为最先了解到这个无限小数新的数位进展的人。为了记住π的前几位数字，人们还特地编写了各种诗歌和口诀来辅助记忆，这些口诀被叫作“π之歌”。因此，一批记忆天才随之出现，他们是能够背出π小数点后最多数位的人。世界纪录的保持者是中国人吕超，他在2005年11月20日背诵出π小数点后面的67890位，并且一位也没错，总共耗时24小时4分钟。美国歌手凯特·布施也曾经写过一首有趣的歌曲，歌词里写出了圆周率小数点后的20位数字。还有一种很有趣的猜想：因为π是一个无理数，小数点后的所有数字都是无序出现的，所以，你的身份证号码或者你的手机号有可能正好和π的某些数位一模一样。有些网站可以专门替你查找这种现象。如果真的是这样的话，那么π这个数字就包含了你的隐私信息，但是你却无法指控圆周率盗窃了你的隐私。无论如何，这纯粹是巧合罢了。

上述有关π的数学现象和社会现象引发了很多讨论。霍华金·纳瓦罗在《数字π的秘密》一书中谈到流行文化中存在着一种“π的狂热症”现象：你可以在网上买到印有π的文化衫，可以加入圆周率粉丝俱乐部，还可以去美国西雅图观看花巨资打造的主题雕像。有一部名为《π》的心理学恐怖电影，它讲述了一位偏执狂数学家的奇遇。主人公数学家固执地认为世间的一切真相都可以用数字来表达，他把股市与犹太教的神秘传说放在一起研究，结果意外地发现了惊天阴谋，因而被人四处追杀。这不是唯一一部关于这个数字的电影，著名演员朱迪·福斯特出演的《联系》也是由卡尔·萨根撰写的一本关于π的小说改编而来的，还有英国导演阿尔弗雷德·希区柯克执导的《冲破铁幕》。当然了，《辛普森一家》里有一集专门提到了圆周率；著名英国摇滚乐队“石玫瑰”写过关于圆周率的歌曲；波兰女诗人辛波丝卡为之写过诗。

综上所述，我非常鼓励大家成为π这个数字的粉丝。没准你未来会成为圆形餐盘（是的，就是我们每天吃饭时用的盘子，只要不是方的就行）、呼啦圈或者甜甜圈的生产商，或者你会去从事其他一些不那么有趣的行业，如物理学、数学或者工程研究。但是，不管做什么工作，你曾经学到的有关圆周率的知识都能够派上用场。

.6.给我一个支点，我将会撬起整个地球

锡拉库扎国王希罗曾建造过一艘巨型轮船，传说该船重达4000吨。希罗想把这艘船送给埃及国王托勒密。当时，这艘船被人们叫作“锡拉库萨”，有点类似于今天的“泰坦尼克”的意思。由于这艘船太重，因而在建造完成之后，造船工人们发现一个意料之外的棘手问题—他们没有办法把船抬起来，运到水中。可是，一艘在地上的船又有什么用呢？古希腊哲学家兼工程学先驱阿基米德，正好是一位锡拉库扎人，他说过一句我们今天听来如雷贯耳的名言：“给我一个支点，我将会撬起整个地球。”回到船的故事中来，当时人们把阿基米德叫来，让他想办法把这艘巨轮抬入水中，而阿基米德通过一个杠杆和滑轮系统，成功解决了这个问题。

确实，如果有一个支点和一个杠杆，我们可以比较轻松地举起一个原本很重的东西。杠杆这么简单的一个工具不仅推动了整个世界向前进步，更是在几百年来明显地改变了我们的生活方式。当然了，就如我们这篇文章中的主题，关于杠杆还生出了不少逸闻趣事。可以毫不夸张地说，没有杠杆就没有我们社会的进步。

杠杆，是由一根棍子或一个硬棒构成的一种简单机械，在力的作用下能绕着固定点转动，这个点就是“支点”。使用杠杆往往是为了运用最小的动力（能使杠杆转动的力）来对抗一个更大的阻力（阻碍杠杆转动的力）。当然了，有时候也会用杠杆来抬高或者加速某物，如锤子和石弩。杠杆还有自己的物理原理，即“杠杆原理”—反映了动力、阻力及两个力量点距支点距离之间的关系。两个力量点距支点的距离分别叫作“动力臂”和“阻力臂”。

现在，所有的杠杆被分成了三类，有数百个运用场景。第一种杠杆，就是著名的阿基米德用来撬动地球的杠杆（虽然至今还没有人能够找到一个合适的支点以及足够长且坚固的棍子）。杠杆被支点分成了两个部分，支点位于杠杆的中间，动力（F）施加的点到支点的部分为动力臂（BP），阻力（R）施加的点到支点的部分为阻力臂（BR）。有趣的点在于：当动力臂比阻力臂长时，克服阻力所需要的动力会相对较小，而这个动力臂越长，那么抬起一个相同质量的物体所需要施加的动力就越小。最典型的例子即通过一个动力臂非常长、阻力臂非常短的杠杆，你会轻而易举地成功抬起一块质量极大的巨石。

剪刀、石弩、跷跷板，还有钳子都属于这一种类型的杠杆。你可以想想修枝剪（或者普通的大剪刀），你过去一定以为修枝剪之所以有那么长的杆子，是因为要摘的果子在很高的地方（虽然这也很有道理，因为无论如何，只凭自己很难达到那样的高度）。然而，真正的原因并非如此：修枝剪的设计也是基于杠杆原理。因为我们需要施加的动力大小与动力臂距离成反比（F=R × BR/BP），所以当动力臂距离越长，我们用修枝剪摘下一个很重的果子所需要的力量就越小。相反，我们平时在书房里用的小剪子比修枝剪短得多，就是因为我们剪纸不需要费那么大的力气。在电影《指环王》的一个著名场景中，身形巨大的半兽人推着一个同样巨型的杆子，想要撬开摩多的门。半兽人虽然体形笨重，脑子却很灵光，他们把支点放于离门轴很近的地方，以此缩短阻力臂距离，这样他们撬门的时候就可以省点力气了。看起来，用杠杆撬门比安一个门把手推门要方便得多，是吧？

第二种类型，是阻力点位于支点和动力点之间的杠杆。请你自行想象一个载有重物的手推车—重物在你的手（动力点）和车胎（支点）之间；还有你在健身房举铁的场景—你身体的重量位于你的手臂（动力点）和你的脚（支点）之间。别的例子还包括胡桃夹子、开瓶器，以及划船桨，尽管第一眼看上去这些东西并不符合定义。划船桨运动时的支点是水，我们在水上想要克服的阻力正是船体的重量。值得注意的是，直观上大家通常会认为船桨的支点是船桨和船体的接触点，但事实并非如此。再仔细想想，你就会弄明白这一点。当然了，在日常生活中对这种杠杆最常见的应用其实是我们的脚：走路时，前脚掌和脚趾支撑着我们前进，也就是支点；阻力就是我们的体重；动力则是我们的肌肉和脚踝到脚后跟的跟腱。简而言之，以上所有的例子都说明杠杆原理在生活中是很实用的。凭借着其机械上的优势，通过利用杠杆，我们可以费很小的力气来对抗一个更大的阻力。不说远了，每次一想到走路的过程即一个应用杠杆的过程，我对这个简单机械的崇拜之情便油然而生。

凡人亦英雄：说到走路，那我不得不特别插一句，我是基利安·霍尔内特的头号粉丝。基利安·霍尔内特是西班牙著名登山和滑雪运动员。我崇拜他不仅因为他在多届山地世界杯赛事中包揽了许多块金牌，还因为他的字典里不存在“不可能”这个词。他创下的世界纪录数不胜数，但在这么多纪录中最让我印象深刻的是2017年5月的那次—他在26个小时内一次性登上珠穆朗玛峰，并且没有借助任何用以固定的绳索，也没有携带氧气瓶，而其他通过这条登山路线的运动员通常需要花上超过四天的时间才能登顶。

基利安之所以能做到这点，正是因为他从不理会旁人发出的“这不可能”的质疑。他本人曾说过：“我实现这一切的秘诀就是坚持做想要做的事情，并且绝不要让自己停留在过去获得的成功中。”他真的就这么做到了这一切。常言道，坚持不懈，愚公移山。基利安的意志强大到不仅“移了山”，还把“山”给举了起来。

最后一种类型的杠杆，是动力点位于阻力点和支点之间的杠杆，这种杠杆的动力施加于杠杆的中间位置。这种杠杆具有很大的缺点，即需要给出一个比阻力更大的动力来使杠杆成立。这种杠杆的实际应用有扫帚、订书机和脱毛镊子。那为什么我们还要使用这种杠杆呢？这是因为，我们并非总能找到一个理想的省力杠杆支点，比如说，放鱼竿的时候，或者是想要增加物体移动距离的时候，又或者是想要提高物体速度的时候。最典型的例子就是锤子的应用：当我们搬新家时，我们要悬挂无数的画像，而此时我们就离不开锤子。我们挥锤子的手只需要用一定的速度移动一小点距离，锤头便会以更大的速度移动更大的距离，从而产生足以使钉子被牢牢固定在墙上的能量。当然了，这个过程需要一定的经验和锻炼才能实现，因为我们往往一不留神砸到的不是钉子，而是自己的手，就会很痛。

我们身体结构中也有第三种杠杆的应用：当我们联动肱二头肌和手肘关节去举起一个重物，或者端起一个茶杯的时候，我们就在运用杠杆原理。

流行小知识：世界上最著名的锤子就是北欧神话中雷神托尔用的雷神之锤，它只能被雷神和少数几个超级英雄举起来（这个现象出现的情况很复杂，毕竟只有漫威系列电影的编剧有资格来改变这些人物的故事）。像我们这种平凡人根本不可能举起这把锤子，因为我们的力量不够大。雷神之锤到底有多重呢？据神话记载：雷神锤是由一颗垂死恒星—一般而言，指的是白矮星、中子星或黑洞—锻造而成的。神话中说雷神锤质量极大，那么我们假设它是由中子星（通常很重）锻造而成的。中子星有多重呢？一茶匙那么大的构成中子星的物质就重约4000万吨，而雷神锤重50亿吨。所以，常人根本无法举起它。还有一点，如此大的质量使得雷神锤自身的引力场非常大，使它能够对直径20千米内、以一定速度运动的所有物体产生引力，其反作用力足以让人致死。引力场位于雷神锤和雷神之间，而不是在两端。

我把“托尔的锤子到底有多重?”这个问题发表在各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

Instagram

@leandro.albero:根据漫威1991年出版的漫画，雷神锤的准确重量为42.3磅，也就是20多千克。

@Escuelawellness:我希望自己能够碰见雷神本人，然后我亲口问问他这个问题。

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@joseantmazon:托尔想要它多重就多重哈哈啊。

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@Javier Rodríguez: 如果把雷神锤放进一个在上升的电梯里，那么这个电梯还会不会上升呢？托尔的雷神锤并不受物理规律的约束，而是根据神的意志随机改变。一个普通人没有办法把锤子拿起来，但是被上帝选中的雷神锤之主就可以随意地释放出雷神锤具备的一切力量。没有明文规定这个天选之人需要多么强壮，但是你可能很难想象出一个神应该是瘦弱还是强壮，不过考虑到雷神经常和电闪雷鸣一起出现，所以肯定是比较强壮的。

@Ariel Alexis:雷神锤的重量同你的尊严和原则成反比。

@Rubén Quintela Cancelo:唔……大家都知道这是“重量级锤子”……

@Humberto José González Olivera: 这要看情况。普通的秤砣有资格称它的重量么？

@Fernando Hernandez: 比《缓缓》[ 《缓缓》：原名Despacito，是路易斯·冯西、洋基老爹合唱的歌曲，曾获得美国公告牌热门拉丁歌曲排行榜冠军。]这首歌更让人沉重。

@Ivan Garcia Luiz：42。

.7.和一个外星人交朋友的概率有多大？

印象中，我有生以来看的第一部让我哭得肝肠寸断的电影是在10岁生日那天观看的《外星人E.T.》。小艾里奥特意外结交了一位外星人朋友，他们之间的默契无须用言语沟通。这个外星人心地善良，细腻敏感，没有一丝坏念头。只要有人帮助过他、照顾过他，他就一定会在这个人有需要的时候出现在这个人的身边。可惜，这个外星人最终还是回到了自己的星球。看完之后，我简直无法止住眼泪。

我会哭，不仅因为我当时只有10岁，还因为外星人E.T.来自另一个星系。我跟他在一起，可以学到多少东西啊！会有更多像E.T.一样的外星人吗？在电影里，外星人总是降落在美国，从来没有哪个外星人降落在马德里或者穆尔西亚，那么我家附近会有多大概率出现一个外星人呢？一个10岁的小孩内心充满了无数疑问，其中有一个问题到现在依然困扰着我。

地球以外的地方真的有生命存在吗？还是说，我们就是这片广袤宇宙中的唯一生物？无数人穷其一生都在寻找答案。若有一天，我们真的发现了外星生命，特别是如果这个生物还充满智慧，那么这个发现将会成为整个人类历史上最重要的新闻。

截至目前，我们没有任何证据可以确凿地证明宇宙中还有别的生物。可是，如果你在一个没有污染的城市，趁天气晴朗时望向夜空，将会看到成千上万颗星星，这些星星都是其他星系的“太阳”，各自也被无数行星环绕，这些行星上或许真的有着另外的生物文明存在。而且在地球上只能看到很少的恒星，实际上大部分恒星是无法用肉眼看到的。或许在那些我们看不到的恒星星系中也有生命存在。

宇宙中一共有多少颗星星？在没有望远镜的条件下，从地面上看，仅凭人眼就可以看见五千多颗，但实际上远不止这个数量。仅仅在太阳系中，也就是银河系的一个角落里，就有20万到40万颗行星，而整个宇宙中大概有7×1022颗行星。宇宙中的行星数目比地球上所有沙滩上的沙子数目还要多。这个数字太大了，一般人很难记住（虽然我们大脑中的神经元数目和宇宙中行星的数目有得一拼）。而且，这其中的很多行星可能还有一个行星系统，也就是还有很多卫星绕其运转，在这些卫星上可能也存在生命。

历史上第一个研究这个问题的人是一个名叫弗兰克·德雷克的射电天文学家，他在1961年写出了一个简单公式，用以估算整个银河系中可能存在的所有文明的数量。我并不想在这本书里列出太多的数学公式，但是这个公式非常简单，并且能直观地表示出德雷克提出的问题：

N=R*× fp × ne × fl × fi × fc × L

这个公式是几个量的简单相乘运算，其中N代表存在的所有外星文明的数量。等式的另一边，德雷克列出了一系列他认为能够影响最终结果的量：R*是宇宙中每年新生、拥有足够长寿命（以确保生命得以延续发展）的行星数目；fp是拥有行星系统的行星占总行星数目的比例；ne是和恒星有一定距离、具备适宜生命存续条件的行星数目，也就是说，这些行星不会离恒星过近（否则行星表面的温度过热），也不会离得太远（否则行星表面的温度过冷），具备产生生态系统所需要的条件；fl是有生命痕迹存在的行星比例；fi是演化出高智生命的行星比例；fc是指已经发展出能够同其他世界建立联系的高科技的行星数目占总数目的比值；L指的是各文明的存在时间。

这个公式有趣的地方在于：其中的某些量可以通过计算或自然估算得出（如每年新生、拥有足够长寿命的行星总数和拥有行星系统的行星占比），而其他的技术性变量和社会性变量同该行星上科技发展的程度及行星文明的存续时间长短相关。

公式的最后一个量L代指的是一个文明自然消亡的过程及自我破坏能力。举个例子，若一个星球上经常发生核爆炸，那么这个星球上的文明的自然消亡过程会很短，自我破坏力较强。如果一个文明消失了，那我们是没有办法同该文明建立起联系的，所以在公式中纳入了这个参数。德雷克认为一个文明可以向外界发出自身信号的时长约为10000年。然而，现在看来，或许德雷克的看法有点过于乐观—有人认为一个高级文明存续的时间最多可达400年，最短甚至只有100年，还有人认为人类文明在50年内便会毁灭。这真是耸人听闻。

根据德雷克的公式可以计算得出：每年，我们大概能够在银河系中探索到十个外星文明。然而，还有其他更为现实主义的看法。例如：知名的怀疑论者迈克尔·舍默就曾说过，我们在7000万年的时间内只能探索到一个外星文明的信号；在奥杜威理论中，一个高级文明的存续时间无法超过100年—如果是这样的话，那也就意味着人类在10亿年中最多可以探索到一个外星文明。总的说来，这项公式是否成立还有待进一步的研究讨论，因为其中大部分的参量可能并不具有如此重要的价值。

弗兰克·德雷克是SETI项目的负责人，该计划致力于寻找外星智慧生物。SETI项目的内容是每天探测大气中接收到的外星文明传来的无线电波，目前暂时还没有任何发现。但是这个项目的专家们在2012年的一次大会中曾有过预言，认为他们在20年内一定会探测到外星文明的信号。

目前，天文学家已经发现了上千个太阳系外的行星（几乎每周都有新发现），其中有些行星上的自然环境很有利于生命的存续。最新发现的星系是TRAPPIST-1星系—TRAPPIST-1是一颗超低温红矮星（它的质量是太阳质量的9%），距离地球约39光年。该恒星周围有7颗类地行星绕其运转，其中有3到4颗具备非常温和宜居的环境条件（也就是上文中我们提到的生态系统，在德雷克的公式中也涵盖了这个因子）。既然TRAPPIST-1距离我们如此近，而它周围的这三四颗行星上的条件又与地球如此相似，那么在离地球不远之处很有可能存在更多的适合生命延续的星球。或许在不久的将来，我们很快就能和外星文明在宇宙中建立联系。

外星文明是否也在寻找我们呢？有这个可能，但是直接向他们发送信号来证明我们的存在是一件很危险的事，这也是SETI项目的投资创建人约翰·格茨最近指出的一点。他认为我们只需要接收外星文明传来的讯息，仅此而已。当然，也存在另一种看法—认为我们应该主动向外界发送讯号，把星际空间当成社交网络来进行互动。有一个名为“主动SETI”的项目，该计划会主动尝试向外星智慧生命发送信息，比如通过无线电信号向外太空发送“你好”的信息。格茨认为这是一种非常“鲁莽、不科学、灾难性、极不道德的”做法。另外，他还指出这种行为也是被联合国明令禁止的。因此，请大家务必牢记：如果有一天，你接收到来自外星的任何信号，你要做的应该是咨询政府或其他的权威机构，而不是直接回应。如果有一天，你遇到了一个叫作E.T.的外星生物，记得也要这样做。

凡人亦英雄：塞西莉亚·佩恩[ 塞西莉亚·佩恩-加波施金：出生于1900年5月10日，是一位美籍英国女天文学家，于1925年首次提出恒星主要由氢和氦组成。]原本在剑桥大学学习物理学、化学和植物学。当时的女性无法获得学位，因此在剑桥大学完成学业后，她于1922年前往美国攻读学位。她进了哈佛大学天文台，并加入了安妮·坎农[ 安妮·坎农：美国女天文学家，在恒星光谱分类方面做出开创性的工作。]的天文研究项目—这个项目的成员全部为女性，并且她们利用光谱分类法成功将250000颗星星分类。1925年，塞西莉亚首次提出恒星主要由氢和氦组成。她的博士论文被认为是天文学领域中最卓越的论文。然而，在几十年内，她都没有获得哈佛大学的正式职位。塞西莉亚死于1976年12月7日，在她去世之前，她曾留下了一句代表所有科学家心声的话：“对青年科学家而言，成为历史上首位发现某一真理的人的这种心情能够补偿他们付出的所有努力。没有什么能和这种经历相提并论。”

的确，我们已经向太空中发射了很多讯号，但这些讯号就像扔进水里的瓶子一样杳无回音。1977年，发射的旅行者探测器已经飞离了太阳系，它携带了一张镀金铜板声像片（“金光盘”），上面记录了地球文明的所有内容，目的是让外星人了解地球。这种行为好似我们人类把对方当成了傻瓜。这个项目由著名天文学家卡尔·萨根牵头，记录了55种不同人类语言的打招呼方式，包括4种中国方言和世界语等，还有地球上特有的一些声音，如心跳、火车前进、火山爆发、狼叫、火焰和亲吻的声音。另外，光碟上还存有116张照片：太阳系、人类的身体、海豚、鳄鱼、葡萄采摘人、荒野猎人、珍妮·古道尔和围在她身旁的大猩猩。旅行者号还需要花上4万年的时间才能到达其他星系。或许某一天我们就能收到一个回复的讯号，谁知道呢。

我把“和一个外星人交朋友的概率有多大？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@juanma.1999: 和在地铁上偶遇自己的朋友的概率一样大。

@tonyrivas_01: 我连地球上的朋友都交不到……我还是别回复了吧。

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@EduadCod: 如果我没有人类朋友，那我可能就会交到外星朋友了吧。

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@Irving Parra: 等哪天我们真的完全认识了宇宙的每个角落，我们就知道会不会有外星朋友了。

@Graciano Etchechoury: 要知道我们从小就被教育说人死后会去天堂，所以很有可能我们所有人都是外星人。

.8.不存在的颜色

当我去一家服装店买衣服时，店员让我在一件海军蓝毛衣和一件黑色毛衣之间做出选择。这时，我总会愣神好几分钟，一直盯着这两件毛衣。旁观者可能会以为我在纠结布料、织物等其他因素，甚至会好奇地问：“这个人怎么了？”然而事实上，我只是有点轻微的色盲症，所以我在分辨颜色时需要一些帮助。但是我不能总是依靠别人，所以现在我的衣柜里有了四件黑色短袖和一件海军蓝短袖。毛衣也是一样的情况。这倒不是因为我有多喜欢黑色，或者是黑色多么适合我。最糟糕的是，曾有一天我的女儿开心地回到家里，戴着她的新眼镜。我以为那是一副银灰色眼镜，但实际上是紫色的。

在物理学中，“光”的本质是一种电磁波，组成光的是电磁波谱。平时人类肉眼可以接收的光线只是这个波谱的一部分。同其他种类的电磁波一样，光也是由无数光子微粒组成的，而根据光的波粒二象性，这些光子的特性决定了光的物理特征。同其他的波一样，光波也具有一切波所具有的固定特征，如波长、波幅和波频。其中，波长是指波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向，相邻两个最高点之间的距离。

所以，所谓的“颜色”并不具有实际含义。不同的颜色只是不同波长的光在进入人眼、被视觉神经接收后，经过大脑处理形成的结果。我所说的实际含义，指的是不同的物体本身没有任何特定元素来决定它自身的颜色，我们所说的颜色实质是物体反射的不同的光。如果说可见光谱像彩虹一样含有不同颜色，那么一个苹果是红色的，是因为它只反射了红光，吸收掉了光谱中其他的光波。一件蓝色的毛衣也只是反射了蓝光，吸收掉了别的光。对光的感受只存在于人类的大脑中，也是我们观察这个世界的一种特定方式，但是在我们的大脑之外并不存在任何“颜色”的概念。基于此，我告诉女儿她的眼镜并不是紫色的，只是它反射了紫光，而这种光的物理特性和紫色丁香花反射的光波特性一样。但是，我女儿听到这话笑疯了，沉浸在她自己的笑点之中。好吧，我知道这种莫名的开心对于一个人来说很重要，所以我就没和她深究，让她继续享受快乐。

想象一下，如果我们置身于绝对黑暗之中，那么物体就不会反射任何光线，也就不会再呈现出不同的颜色。黑色正是没有颜色的一种颜色。当一个物体呈黑色时，说明它吸收了所有频率的光波（所以黑色衣服往往是最热的）。相反，白色是所有频率光波的集合—白T恤是最凉快的衣服，因为它能够反射所有的光线，不会吸收任何颜色的光波（这也就是为什么伊维萨岛人的日常穿着都以白色为主）。

关于颜色还有令人生疑的一点：很有可能大家口中的“蓝色”在你的眼中和在我的眼中是两种不同的颜色，有可能，你看到的大海颜色实际上是我看到的红色，但是你把它称为“蓝色”，因为从小你就被教导说这是蓝色。但是，不同的颜色概念只存在于大脑中，我们很难去证实这个可能性。毕竟，你要怎么样去给另一个人解释你眼中的红色呢？又或者，你要如何向一个天生的盲人描述各种各样的颜色呢？

可见光谱以红光（波长大约在700纳米的光）开始，到紫光（波长大约在400纳米的光）结束，这中间的颜色按照各自的波长由长到短地依次分布，这样看下来可见光谱的颜色排序和彩虹是一样的。

科学逸事：当太阳光透过地表空气中飘浮的小水滴时，阳光会发生折射，而不同波长的光的折射角度不同，因此折射后的阳光会变成一个可见光谱。彩虹就是这么形成的：当环境中的湿度及阳光的入射角满足折射条件时，就会出现彩虹。可见，光谱上各种颜色的排列是固定的，虽然各个颜色之间没有严格、清晰的界限划分，但是大体上按照这7种颜色排列：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

最早实现将阳光分解成不同颜色光线的人是牛顿，他小时候在玩一副棱镜时发现了这个现象，但是他当时并不知具体的原因（当时，人们还不清楚光的本质是一种波。还有一个有意思的点，他发现的7种光和我们常说的有点差异—红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）。为什么会有新的颜色出现？又有谁能准确地形容出“靛”是什么颜色吗？是我眼镜的颜色吗？所以说，其实可见光谱的颜色可以有很多种分类，大致是7～8种颜色，只不过在古希腊文化中，7是一个最基本、最重要的数字，而且古希腊文化对现代社会仍然有着举足轻重的影响。不然，你以为音乐乐理的7个基本音符、童话故事中7是最常见的数字，都是偶然现象吗？想想白雪公主你就明白了！

不知道大家听没听说过斯特姆·托尔基森这个人，他是英国著名的平面设计师，曾为彼得·盖布瑞尔、齐柏林飞艇、平克·弗洛伊德等众多音乐家及乐队设计过专辑封面，而且都是在1973年创作的。对于众多“星舰迷”而言，鲍勃·匹克在1979年为电影《星际迷航》设计的海报至今让他们热血沸腾。1976年，在第一个有牛顿出现的标识设计出来之后一年，苹果公司的第二个著名的标识由史蒂芬·乔布斯授权罗布·詹奥夫设计出来。

这一切都发生在70年代，让我不禁产生怀疑：70年代的彩虹恐怕不只是一个光学或气象现象这么简单……

在可见光谱以外的部分，比红光波长更长的是红外线和无线电波，这些波是人类肉眼无法看见的。此外，比紫光波长更短的是紫外线、X射线和伽马射线，人类也没法看见，并且这些波具有很强的能量，这种能量会对人体产生一定的危害。在这么多光波中，人类能看见的只有从红光到紫光这个小范围内的光。但是，其他频率的光波可以通过仪器探测出来。例如：我们可以用红外线照相机来看清黑暗中的人脸，正如电影《终结者》中一样，因为人体会散发红外线，温度越高，红外线越强。蛇、食人鱼和蚊子都非常清楚这一点，因为这些动物具有很强的探测红外线的能力。这也就是为何在黑暗中它们始终能够发现你的原因。

让我们回到一开始我有轻微颜色分辨障碍的问题上来。我对带有蓝色的颜色都有些无法识别（好笑的是，蓝色是我最喜欢的颜色）。其实，色盲恰好能够证明光线的颜色在不同人的大脑中处理的结果会有差别，所以我们每个人看到同一种光线的颜色可能都不一样。英国数学家兼化学家约翰·道尔顿认为这种现象和基因有很大的关系，是一个遗传现象，并且在男性中更为常见（男性患色盲症的概率为8%，女性只有0.5%）。在色盲症人群中，彼此的症状也有不同，重则完全没有颜色的概念（全色盲），轻则只是略微无法分辨红色、绿色和蓝色（色弱），这是牛顿在1704年出版的《光学》一书中分类定义的。

色盲的产生和视网膜感光细胞有关（在之前的章节中我们提到过）—包括视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞被用来感受光的明亮程度，负责识别黑色、白色和不同程度的灰色；视锥细胞则负责识别红色、绿色和蓝色，也就是组成所有其他颜色的三原色。这三个颜色简称“RGB”（英文red, green and blue的缩写），电影放映机、老电视机显像管和激光打印机上都能发现这个缩写。在计算机程序员或设计师眼中，所有的颜色都不过是红绿蓝三种颜色随机混合而成的255种结果罢了。最原始的电子屏幕只能分辨出216种颜色，也就是6的三次方种。现在，24位分辨率的显示屏已经可以精确地分辨出1670万种颜色了。同样地，艺术设计通常会用到潘通色卡，色卡上给每一种颜色都标上了号码。如果你有室内装修或者设计公司标识的需求，那么这个色卡对你会很有帮助。但是，肉眼的感官细胞并没有专门的“黄色”感受器，因为黄色是由红色和绿色组成的。色觉障碍症患者基因中负责产生视锥色素的部分和普通人有一些不同，他们识别不同颜色的困难程度和相对应的视锥色素的数量多少有关。

不知道是不是因为自己的轻微色盲症，我始终对各种颜色充满好奇。各种各样的红色在口红色号中都能被看到。例如，有一种著名的口红色号叫作“俄罗斯红”，这个名字来源于一个著名的西班牙歌手。还有神话故事中，我不知道这种情况是否真实存在，那些住在冰天雪地里的因纽特人具有识别出各种各样白色的能力，而这些不同的白色在别人的眼中毫无差别（我自己就不能分辨出不同的白色，如灰白色、米白色和纯白色）。

除此以外，我还对自然界中各种颜色的巧妙使用场景怀抱着浓厚的兴趣。动物会利用不同的颜色来隐蔽自己（比如变色龙的变色能力，让它能和环境融为一体），或者是利用颜色将自己和环境区分开来，变得非常醒目，要么借此吸引异性，要么借此示意其危险性（比如某些醒目的毒蛇还有马蜂都带有剧毒）。还有，有些动物的皮毛上有深色色素来减弱太阳光的伤害，人类一直对其应用非常感兴趣，并且在这方面斥巨资研究，称之为“美黑”。花朵的鲜艳颜色是为了吸引小鸟和蜜蜂来传播花粉。花儿的颜色越是鲜艳，传粉的成功率就越高。所以，当我们装修或者送礼时，我们选取的颜色最好也和这些花一样，越鲜艳越好。

科学逸事：我最喜欢的一种动物是螳螂虾，也就是皮皮虾。皮皮虾主要分布在澳大利亚大堡礁，它们可以在这里欣赏到全世界最复杂、最特别的景色。因为皮皮虾的眼睛中有12种光感受器（而我们只有3种），它们可以看见偏振光、红外线和紫外线。它们的每只眼睛都可以独立地转动，而且每只眼睛上都有三个瞳孔。这样的特点让它们可以同时接收到三个画面，并且对色彩有着极其敏锐的感知。人类也一直在致力于研究皮皮虾这种对色彩感知的能力，以便将其运用在DVD等设备中。在蓝光光碟后，下一代光碟设备会以皮皮虾的拉丁学名Gonodactylus smithii命名吗？

皮皮虾就先讲到这里，因为下面我要介绍一种更厉害的动物—皮皮虾的同类，手枪虾。手枪虾有一对巨螯，当其将巨螯迅速合上时，会发出强烈的冲击波，将猎物（如小鱼、小蟹）击晕甚至杀死，同时会伴有气穴现象，形成极小的低压气泡，当水压回复正常时，气泡会崩裂并发出啪嗒的声音。令人惊讶的是，气泡破碎时产生的温度跟太阳表面的温度一样高，将近6000摄氏度。一般水族馆的水箱玻璃很难承受住这样的压力。手枪虾真可谓是珊瑚礁中的战斗机啊！

.9.一朵云等于几头大象的重量？

小时候，我觉得所有的云都是熊的形状。别问我为什么会这样，或许是我小时候深受动漫《塔亚克森林里的大熊》的影响。这部动漫讲了两只双胞胎小灰熊在塔亚克森林里的故事，就好像我和我的妹妹西尔维娅一样。两只小熊在猎人杀了他们的妈妈之后，进入森林并且迷了路，然后开始冒险，唉，可怜的小熊。但是，这部动漫对我妹妹却没那么大的影响，她小时候看见过兔子状、小孩状、火箭状，还有赛车形状的云朵。这些巨型的棉花糖在她的眼中拥有千奇百怪的形状。

相信每一个人在小时候都会躺在草坪上凝视天空，看着云卷云舒、变幻莫测。但大家眼中的云好像都不太一样：可能这个人看到的是一朵龙头状的云，而另一个人却觉得这朵云像一只树袋熊。而且，随着时间一分一秒地流逝，云也会随着环境的变化而变化—先是形状改变，然后会移动，最后甚至会消失。这些云好像是在通过这些变化同我们对话，讲述着世间万物的转瞬即逝。

现在，我已经不会再躺在地上猜这些云到底是什么形状了。但在坐飞机时，我时不时地还是会被高空中的云朵震惊：这些云朵在日落和日出时竟然有如此大的区别，波音747在这些云朵的旁边竟然显得如此娇小。如果你也喜欢观赏云朵，那你不是一个人。伊比利亚半岛上有一个叫作“伊比利亚云朵观察协会”的组织，这个组织常常举办一些国内和国际交流会议。其中，有一个最为知名的会员—盖文·普雷特-皮尼正是《云彩收集者手册》一书的作者，同时也是云朵鉴赏大会的创始人。他在著作中提到观察云并非如大众认为的那般无聊或无用，并且指出天空中各种云的不同类别：卷云、层云和恐怖的积雨云（也叫雷暴云，积雨云浓而厚，云体庞大如高耸的山岳。积雨云出现时常有雷暴、阵雨，甚至会伴有龙卷风）。

但是，云到底是什么呢？实质上，云是地表大气中的水蒸气遇冷液化成的小水滴或凝华成的小冰晶（这取决于具体的温度）所混合组成的飘浮在空中的可见聚合物，一般来源于海洋表面的水在太阳光照射下形成的水蒸气。这些飘浮在空中的水滴或冰晶的体积很小，一般直径在0.2到0.3毫米之间。当温度降低时，这些小水滴会凝结变大，直径可达1毫米，在这时，这些水滴会变成雨水，落在我们的头顶或雨伞上。这也是地球水循环的一个环节：地表的水分蒸发后形成云，云又会化为雨水降落回地表，重回地表的水分又可以进入下一个蒸发成云的循环。在这个自然循环的过程中，人类也扮演了一定的角色：我们去河里取水，然后又把用过的水倒回去。

除了参与地表水循环之外，云还起到了很多别的作用，如均匀分散太阳光能、调节地球表面的气温等等。地表上最清澈平整的表面能够反射的光照量被称为“反照率”，如冰面、雪地以及云朵（有22%的反照率）。阳光在这些物体的表面会被反射回去，无法向地面传递能量。大约有三分之一的阳光会被地表反射回大气。但从另一方面来说，云朵也会带来温室效应—它会将地表散发的一部分红外线反射回去，也就是说，云朵既可以让地表降温，又可以反射红外线并提高地表温度。但是两种作用的最终结果还是温度降低，也就是说降温的效应大于升温的效应。

云朵形成于大气气压较低的区域中。热空气不断升高，并且随着抬升的过程降温，直到空气中的水分凝结成云为止。不同的高度、气温及气压条件下会产生不同类型的云。所以说，虽然云朵看上去都是凝结成一团、松松软软的模样，但实际上也是有区别的。就比如说，我还不知道孙悟空在《龙珠》里面的坐骑云是哪种云，如何能够承受一个人的重量。

刚刚我提到的一点，也正是我对云最好奇的一点：如果云是由水蒸气构成的，它的本质就是一种气体，那么为什么云看上去是非常固定、成形的模样呢？如果云是气体的话，按理说我们应该很难看到它，因为一般而言，气体是没有固定形态的。当然，如果真的无法看见云朵，那么我们会很遗憾。我们之所以能够看见云，是因为云并非气体，而是由小水滴和小冰晶凝结而成的。当太阳光照射时，这些小水滴和小冰晶会散射阳光，反射出白光，最终呈现出白色絮状的形态。有时，这些云会呈现出深灰色，被称为“乌云”，是坏天气的预兆。这种现象是因为云中的水分密度很大，以至于光线无法轻易穿透，所以呈现出暗色。暴风雨来临之前的乌云直径可达20千米，颜色极深。所以，当我们碰见黑云压城时，就知道天要下雨了，得赶紧回家。

讲了这么多关于云的知识，我觉得我们已经可以回答标题提出的问题了：一朵云等于几头大象的重量呢？表面看上去，像棉花一样的云朵好像很轻巧，应该不会有很大的重量，我们仿佛用双手就能轻而易举地举起一片云。然而，事实完全相反，要知道云是由水滴组成的，而水其实还挺沉的（1公升的水在正常气压条件下重为1公斤）。你不信的话，可以自行回想一下在超市里买水的场景。显而易见的是，云朵的重量取决于它的体积大小，毕竟没有两朵完全一样的云，此外还取决于云朵中的悬浮物有多少。

有趣的是，我们通常认为国际质量体系会用千克来衡量云的重量，但其实国际上常用一个特定的计量单位来表示云的重量：大象。据位于美国科罗拉多州的国家大气研究中心计算，平均而言，一朵云重约100头大象（一头大象平均重量为6吨），而伴随着暴雨的大型积雨云可以重达20万头大象。这样算下来，幸亏雨是一点一点地落下来，而不是瞬间倾盆，否则，对我们的城市和乡村而言，这些云可称得上是“水炸弹”了，一切物品都会被砸个稀巴烂。不过，因为云是由无数个质量很小的水滴组成的，所以我们大概可以计算出形成一朵云所需要的水滴数：假设20滴水的体积为1立方毫米，那么一片积雨云大概含有24亿滴水。现在，你可以再想象一下，24亿个小水滴凝聚在一起，悬浮在空中，重量为20万头大象，形成了一朵云，而这朵云可能是一个龙的形状，也可能长得像一头小熊。

我把“一朵云等于几头大象的重量？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@roccifeliz: 云不是水做的吗？所以1公升的云应该是1公斤重吧。

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@AliciaFiesta: 这可能取决于这朵云像什么动物了。

@pedagonval: 6岁的罗伯特说：“如果不掉下来的话，云是很轻的，就像海绵一样。”

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@M José Labrado: 我老公说：“你要告诉我你问的是哪朵云，然后我才能帮你算有多重啊。”

.10.左撇子没那么稀罕，只是有点特别罢了

我是个左撇子，我在人生中一直和这个右撇子的世界抗争。如果我不小心，写字的时候我的手总会把纸弄花，而且我写字的姿势很奇怪，手肘在空中乱画，手指也随着晃动。因此，我从没用过钢笔写字，也没用过所有同龄人都有的自动铅笔，因为铅笔的字迹很容易花。最让我的同学讨厌的一点是，每次考试，因为我的姿势和他们相反，我的手都会遮住我的试卷，让他们没有办法和我对答案。更别说对于一个左撇子而言，用右手开罐头或者拿剪刀是多么困难了—这些物件都是为右撇子设计的。还有在吃西餐时，我不得不用不习惯的姿势拿起刀叉，还经常因为和别人动作相反而频频撞到邻座的人。可每次我去我父母家吃饭时，吃饭的姿势就不再是个问题，因为一般我坐在我弟弟旁边，他也是个左撇子。如果他不是左撇子，估计我只能坐在家里的角落里吃饭了。

我现在的工作内容之一就是在黑板前录制教学视频，而这种场景其实更适合左撇子。和在纸上写字不同的是，在黑板上我用左手写字不会挡住下面人的视线，我的Unicoos可以清楚地看到我在黑板上写了什么。说到YouTube和左撇子的这件事，我一直很好奇，同样教数学的朱利奥老师会不会也是左撇子呢？

或许是这种类似的小事太常见，因此对许多人而言，习惯性地使用左手是人生的一个污点，是一种病。所以，很多父母试图从小就纠正小孩的左撇子行为，想要通过后天的努力把他们变成右撇子。

但是，我们作为左撇子，一直在努力地同这个右撇子的社会和谐共处—我们改变自己，克服各种障碍。不知道有没有人记得达尔文的那句名言：“存活下来的物种并不是那些最强壮的，而是最能够适应环境并且做出改变的。”在历史长河中，左撇子也有属于自己的光辉年代—那时，左撇子是创造性和天才的象征。至少，我们可以非常自豪地说，以下这些人都和我们一样是左撇子：阿尔伯特·爱因斯坦、玛丽莲·梦露、贝拉克·奥巴马、居里夫人和吉米·亨德里克斯[ 吉米·亨德里克斯：美国吉他手、歌手、作曲人。]其中，吉米甚至把给右撇子设计的吉他反过来弹奏，这个画面被无数粉丝尊为传奇。当然了，除他们之外还有很多左撇子，大概占全世界人口总数的10%～15%。现在，每年的8月13日还是“国际左撇子日”。

那么为什么会出现左撇子呢？这个问题一直是个谜，到现在也没有一个准确的答案，但是越来越多的相关研究给出了一些可能的原因。以前，大家通常认为左右手的使用习惯和胎儿期大脑的左右脑活跃程度有直接关联。然而，德国波鸿鲁尔大学的一项最新研究表明：左撇子行为和大脑的发育没有太大关系，反而和脊髓的发育有关。怀孕八周时，已经能够检测出决定左右手使用习惯的不同基因表达了，这个基因片段属于脊髓基因组，而脊髓决定了躯干和肢体的运动方式。所以说，如果你曾经以为你的左撇子或者右撇子习惯是小学时候某个老师强迫你形成的，那就不对了，因为很显然，这事早在你还没出生的时候就已经确定了。还有另外一个重要的科学研究成果：胎儿如果在母亲的子宫内含在嘴里的手指是左手的话，那么等他出生后，就很可能是左撇子；相反，如果含的是右手手指，那么他就很有可能是右撇子。实际上，科学调查显示：在胚胎时期，含右手手指的婴儿长大后100%都是右撇子，而那些含左手手指的婴儿有67%的概率变成左撇子。这个过程不仅仅由基因来决定，还有一些基因无法控制的因素也会影响我们的具体行为。例如：在人体内发生的所有生化反应都可能对DNA（脱氧核糖核酸）的表达产生影响，导致我们的外在表现与基因表达内容有不一致的地方。这种现象属于表观遗传学的范畴。

大脑以一种交叉的模式控制着身体的行为。左脑控制着右侧身体的行为，同时也掌控负责语言、书写、数学和逻辑系统的部分，但是左撇子的情况比较复杂，包含很多不同的情况。有一半的左撇子，即“纯左撇子”，他们的左手行为是完全被右脑控制的。右脑具备的功能大体上和左脑一样，但是处理转换信息的方式和左脑略有不同；右脑不会采用常见模式来分析人的想法，是一个集合处理器，负责处理视觉和空间信息，处理行为信息的能力较弱，主要负责感知情感情绪、方言语调之类的语言信息及同视听效果相关的音乐艺术等。同样地，右脑偏向于接收和分析一个整体意义上的想法或其中的整体策略，而不会非常注重片段和细节。但是，我刚刚提到的复杂情况在于，还有另外一半的左撇子，即“部分左撇子”，展现出一种对称偏侧的特性—虽然他们的行为是由右脑控制的，但是不完全是这样，右脑只控制了他们行为的很少一部分。例如：虽然我几乎在任何事情上都习惯用左手，但是我不习惯用左脚去踢球，所以我在踢球时，左腿只能起支撑作用。我的左腿动作很快，可就算我有意识地使用左腿，右腿的协调性还是更好，尤其是躲避球的时候。在意识到这件事之前，我已经当了多年的后卫，却一直没发觉有什么不对劲的。

通过上述内容，我想说的是关于左右手习惯的问题还存在着很多先入为主的误解，这些误解正在一步一步地被科学研究纠正。事实上，没有确凿的证据可以证明左撇子会更聪明能干。相反，位于马萨诸塞州的梅里马克学院联合其他高校进行的一项研究表明：左撇子和双利手（左右手都可以用来工作）的人会更情绪化、更容易陷入负面情绪，如恐惧或压力之中。他们通常会更容易害羞，在争论中更敏感。毕竟，他们一直生活在一个并不考虑他们需求的社会中，这也是情有可原的。

科学逸事：去年夏天我去了南非，旅程中一直心情焦躁。我去日本、澳大利亚、英国和很多旧属英殖民地的国家都会产生这样的情绪，因为这些都是在道路左侧驾驶的国家。我已经用了20多年的时间、2000多公里的路程去习惯在道路右侧行驶，你要我如何去一下子改变这个习惯？这也太危险了。可是为什么会有这样的差异呢？虽然我曾经坚信，这都是因为英国佬们有一些自己独特的癖好，让其他人不得不适应（比如，他们会用英寸和磅来度量长度和重量，而不是用国际通用计量单位公里或千克），但是出于好奇和钻研的本性，我去网上搜寻了这种差异的真正原因。结果让我大吃一惊。

中世纪时期，为了能在马战时迅速移动，骑士都用右手持矛来攻击对手的右手边。当他们转弯时，就换左手持矛，右手持盾，以防对手从对面过来时被攻击。所以，那时都是靠左行驶。驾驶马车时也是同一个原理：驾驶人往往右手拿着马鞭、左手攥住缰绳，这样才不会在挥鞭时伤到在道路中间行走的人。那么，是谁决定改变这个规则呢？法国人。在法国大革命之前，通常情况下贵族在路上靠左侧行走，平民在右边走。优雅的上层贵族通常比庶民的行走速度快。随着巴士底狱被攻占，贵族们陷入了恐慌，不再高调行事，所以选择和庶民们在道路的同一侧行走。1794年，在巴黎颁布了一则相关的法令，这种行走的规定也就渐渐地传入其他国家—当然了，除了英国。最后，我想说的是，在南非时，我碰到和汽车有关的最棘手的问题倒不是交通规则（作为左撇子而言，或许我半小时内就能习惯他们的行驶方向，说不定我在南非才能开发出我的驾驶天赋），而是一头大象：路上突然有一只大象冒出来，为了避免撞到它，我以迅雷不及掩耳之势扭转方向盘，结果紧接着，我撞到了一辆满载着美国人的小汽车，我可不知道他们是左撇子还是右撇子。

关于左撇子还有一些别的有趣发现。比如说，哈佛大学的一项研究表明左撇子花钱更少。这个结果基于对他们控制情绪所需要付出的努力的数据统计，由于左撇子们需要付出更多精力在情绪控制上，所以他们更难在学业或事业上发展得很好（老天！）。并且，研究还补充了一点，认为左撇子的下一代有同样痛苦经历的概率会低很多，因为他们会更习惯于这种现象。另一方面，爱尔兰都柏林大学的研究人员认为左撇子会更容易喝多，因为他们发现，左撇子和酒精摄入概率之间有着强烈的关联。但是这一点并不能够直接证明左撇子的大脑总是倾向于过度摄入酒精，我认为这个研究结果纯属偶然现象的概率可能更大。

虽说如此，左撇子还是有些优点的。在大洋洲的一些古老部落中，有很多左撇子的人存在。根据一些人类学家的推测，这种现象可能源于几个世纪以来，这些部落里的人都是战场上的佼佼者，而他们的敌人都是和右撇子一起训练，所以这些部落中的左撇子在战场上更容易活下来，而右撇子都被打败了。同理，在运动赛事中，左撇子也有相同的优势，因为我们可以在对手无法习惯的另一侧展开活动。我自己练了很多年的柔道，每当试图躲避对手的攻击，或者从他们的左边入手破坏他们的平衡时，对方脸上的表情就会变得一言难尽。相信那些拳击手、网球运动员都有相同的感受……你不相信的话可以去随便问问和著名的左撇子网球运动员纳达尔打比赛是什么感受，他可是我的偶像之一。奇特的是，纳达尔只有打网球时用左手，这是因为他的叔叔兼教练托尼·纳达尔在他10岁那年发现他用左手能够发出更大的力量，给对手带来更大的冲击。正如西班牙作家本杰明·普拉多小说中写的那样：“永远别对一个左撇子枪手伸出你的手。”可能在刚刚破晓的黎明，当你向左撇子枪手伸出右手时，他会用左手朝你开枪。

凡人亦英雄：拉菲尔·纳达尔·帕雷拉，1986年6月3日生于西班牙马洛卡岛马纳科镇，被公认为“西班牙最优秀的运动员”，也是迄今为止红土网球场中最好的网球运动员。当然，在红土网球场上，能够和他相提并论的只有罗杰·费德勒。纳达尔至今获得过十六个大满贯冠军、两块奥运金牌、四次罗杰斯杯冠军等无数奖项。但是他最伟大的不是赛场上的成绩，而是他为人的谦卑、不服输的特性、敢于自我牺牲的精神和不断进步的耐力。他拥有常人不具备的胜利者的天赋以及精神上的坚韧，更拥有敢于克服一切障碍的能力和毅力。赛场外，他的对手也对他赞不绝口。纳达尔是一个非常优秀且伟大的人，对我来说，他是我心中最伟大的运动员。

可能有人会问，为什么左撇子的数量这么少。美国华盛顿州西北大学的科学团队在2010年提出了一个有意思的解释：左撇子的人数同合作与竞争之间的不平衡有关。阿布拉罕和帕纳吉奥这两位右撇子科学家搜集了最顶尖运动员的身体数据，并得出如下结论：左撇子的人数取决于社会中的合作程度。如果我们的社会是一个完全依赖合作的社会，那么我们所有人都会是右撇子。既然现在还有很少一部分人是左撇子，就意味着我们的社会现在还没有达到百分百协同合作的水平。很有意思，对吧？其实，我们对于左撇子这个现象了解得远远不够。我很好奇的是，将来会是一个左撇子还是右撇子来揭开这个关于左撇子的真相？我想，应该是左撇子吧……

我把“为什么英国人靠道路左边开车？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@cintado_tkd: 因为他们如果不这样做，就会收到罚单。

@bb8_3: 为了反抗拿破仑。

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@Sergio Calle: 因为英国人都是左撇子吗？哈哈！

.11.花椰菜中隐藏的几何秘密

肺泡、闪电、海岸线、人的体循环、树木、云朵以及超市里贩卖的花椰菜，这些东西之间有什么共同点吗？或许你能找到它们很多的共同特征。但在这篇文章中，我想要从科学家最感兴趣的角度—分形几何—来讲一讲它们的一大共同特征。什么叫分形几何？顾名思义，和“分形”有关。

让我们先来追溯一下分形几何学的历史发展。在20世纪60年代初，法国数学家曼德尔·勃罗特最早开始研究这个学科。按照传统，数学家们一般都会研究理想的、完美的概念，如整数维数等。而曼德尔却对那些更复杂、边缘、不规则的世界产生了兴趣（比起公式，他对图像更有热情），并且他在研究这些不规则的图形时发现，它们具有自相似的特征。

这是什么意思呢？我们可以简单地解释为，当我们说一个物体“自相似”时，也就意味着这个物体可以被分成多个部分且每个单独的小部分都和整体形状有着很相似的特性。例如：一颗花椰菜上的每一小朵都和整颗花椰菜长得差不多，一大片云里的每一小朵也都和整片云有着一样的外形特点，当我们拿起斧头砍下一棵树上的枝条时，这个枝条上的每一部分都和这棵树有一样的特点。如此循环往复，蕨菜也是这样的，这就被称为“分形”。分形的每一个重复单元结构都是不规则的，也就是说，它们的形状是不能通过传统数学中的公式来表述的。

欧几里得在2500年前创立了传统的几何学，在那时，几何学被认为是一种严谨、抽象的学科，和大自然毫无干系。当分形几何学出现时，数学再一次具备了更强大的力量，因为分形几何学研究的是自然现象，如云朵、山峰和海岸线，和我们的日常生活息息相关。

确实，黑板上画的那些直线、圆形和函数曲线很少出现在自然界中，反而更常见于人造物品—公路、楼房等等—人类可能会在游戏机和衣服图案上用到分形几何。分形几何艺术家们一直试图利用分形几何来创作出优秀的作品，但他们采用编写计算机程序的方式来制作图案，而非利用纸笔。20世纪末，还出现了一场“分形艺术”的运动，同其他的先锋运动一样，这些艺术家也通过这场运动来争取分形艺术的地位。

除去图案美丽，分形几何最精彩的地方是它的长度，或者说周长。海岸线就是一个很典型的分形几何。但是，你知道一条海岸线有多长吗？这是很难计算的。地图刻画得越精确，我们就越会发现海岸线是多么不规则—沙滩上布满岩石，海岸线歪歪扭扭。它的长度会随着很多因素的改变而变化，也和我们度量的规则有很大关系。当我们分别用公里、米、厘米作为单位去测量时，会得出不一样的结果。采用的计量单位越小，海岸线就越长，也越不规则。想象一下：现在，为了测量一条河的长度，我们乘坐小艇在河上进行测量，由于我们的体积太大，没办法完全接近每一个角落，所以我们最后测出来的长度肯定会比实际短一些。但是，如果是一只蚂蚁，它就可以知道岩石的每一个犄角旮旯有多大。所以，如果我们的体积和蚂蚁一样的话，我们的测量结果就会准确得多（当然，我们也会更累）。一切都是相对的概念。一段海岸线的长度是相对的，是可变的，取决于我们的测量方式和精确程度。这是一个很难被精确定义的量。

科学逸事：科赫曲线也是著名的分形曲线之一，这是一种形似雪花的几何曲线。它是由无数个正三角形组成的，这些正三角形的每一条边都被三等分，然后取等分后的中间线段为边，向外做更小的正三角形，就这么一直无穷地重复下去。这个重复的过程被称为“迭代”，常见于分形几何中。而分形几何常常以一个基本图形为元素，不断地在原有图形的基础上添加新的基础图形，并且一直重复并延展下去（计算机的一大特点就是擅长迭代）。重复到一定程度，整体图形会具备与基础图形相同的特征。科赫曲线的特别之处体现在哪里呢？那就是，它的面积是固定的（约为基础正三角形面积的1.6倍），但是它的周长却一直在增长。虽然听上去很矛盾，但事实确实如此。

流行小知识：分形几何对现实生活产生的最大影响，大概体现在游戏机和动画电影中。最初，这些动画中的图形都是简单的三角形、四边形或多边形，所以那些山和人脸都带着一些几何多面体的特性。随着信息技术的发展，计算机的功能越发强大，分形几何开始占据重要地位。托尼·德罗斯，加利福尼亚大学物理学学士及信息科学博士，也是皮克斯公司—电影《玩具总动员》《怪兽大学》的制片公司—最受人尊敬的一位数学研究专家，曾详细地解释过如何利用最简单的菱形，通过迭代的方式，构建成我们看到的所有精细化图案—云朵、山丘、森林以及你能想到的任何事物（只要是在皮克斯制片公司电影中出现过的）。这都得益于分形几何。皮克斯影业的数学研究所每年都会发表许多和动画相关的文章，文章名都会让我们觉得非常熟悉，如《鬈卷发的艺术模拟特征》，其中专门解释了《勇敢传说》电影中女主角的满头红鬈发是用什么分形几何做成的。

还有更神奇的一点，即分形几何的拓扑维度。什么意思呢？我们知道，一条线是一个维度的；一个平面（如正方形、三角形）是两个维度的；一辆汽车、一个足球是立体的，也就是三个维度的，正如我们生活在三维空间中。然而，一个由分形几何构成的物体却没有单纯的一维、二维或三维的概念。比如说，一条分形曲线可能具有弯曲、缠绕的形状，这条线的轨迹可能占据这个物体的整个表面。那么，这条曲线是一维还是二维的呢？这时，我们说这个分形曲线是介于一维和二维之间的，这个维度是一个分形维数。如果这条曲线非常弯曲，以至于其形状接近一个平面，那么可以说它靠近二维（如分形维数1.8维）。但是如果它弯曲程度不那么大，那么可以说它接近一维（如1.3维）。刚刚我们提到的科赫曲线就是1.2618维。科赫曲线形似海岸线，我们可以由此计算出海岸线的维度，这样也便于我们理解海岸线的不规则分布。一个平面的“粗糙”程度可以通过这种方式来计算。例如：地球表面的分形维数是2.1，而火星表面的分形维数是2.4，所以这颗火红的星球比我们赖以生存的这颗蓝色星球要粗糙一些。

.12.如何逃离地球？

重力，或者说，地心引力对于地球上的一切物体而言，是一种束缚作用力，阻止了我们离开地面。人类的历史就是一段想要成功逃脱地心引力的历史，自古以来，人类就想要在天空中留下痕迹（这个目标在1903年被莱特兄弟实现了），甚至是逃离地球，到外太空去探索别的星球。1902年上映的法国电影《月球旅行记》中，人类乘坐炮弹到月球探险。电影海报是一个人脸，其右眼变成了一个炮弹，这个设计随后便成为经典之作。在那时，这部电影还属于科幻作品。然而，几十年后，在1969年，尼尔·奥尔登·阿姆斯特朗乘坐的阿波罗11号在月球表面降落，阿姆斯特朗也踏出了“我个人的一小步，却是全人类的一大步”。而几年后，许多宇宙飞船，如旅行者探测器，终于脱离太阳系的束缚奔向了外太空，同时也有飞船在火星上降落，挖掘火星的秘密。

物体由于地球的吸引而受到的力叫重力，重力让地球上的一切都离不开地面。有了重力，才会有大气层包裹在地表之上，而不是让气体流散到太空中。同样地，地心引力让月球能够绕着地球旋转。但是，要如何才能做到逃离地球呢？怎样才能摆脱地心引力的束缚呢？

一切物体都有自己的运转轨道。如果我们把一个球向前方扔去，那么这个球飞起来的运动轨迹是一个抛物线，沿着抛物线升向空中然后掉回地上。你再用力一点扔，这个球会落到更远的地方。那么，如果你的力气足够大，这个球可能会飞到无穷远的地方，并且不会再掉回地面：它会绕着地球表面环绕一周，然后砸到我们的后脑勺上。这就是按轨迹运行的那些地表卫星的设计来源，人类让其沿着固定轨道环绕地球旋转。也可以说，他们一直处在一个“将落未落”的状态。

大家或许一直认为，在那些空间轨道站里（如国际空间站）是不存在重力的。但事实并非如此，这些空间站其实一直受到地心引力的作用。所以，这些空间站和卫星一直处于被地球引力束缚的状态，也就是降落伞打开之前在高空中降落的状态。这或许有些难以理解，但是这些在飞船上的宇航员们确实时时刻刻都处于一种“掉落”的状态，和把他们从高楼、飞机上扔下去的状态一样。这些卫星在距地球表面不同高度的轨道运行，有的卫星的运转速度和地球的自转速度保持一致，所以我们在地面上观察这种卫星时会觉得它们好像是静止不动的，这种卫星被称作“地球同步卫星”。地球卫星距地表的高度为200千米到36000千米，被广泛地用于通信、GPS定位以及科研领域。当然，在更高的地方，有一颗最大的“卫星”绕地球运转，那就是月球。月球受地心引力的影响，也和卫星一样，时刻被引力束缚（但它不会掉到地面上，请大家放心）。卫星的轨道运行状态严格遵守了著名的开普勒定律，这个定律也适用于太阳系内所有行星的运行轨道问题。

流行小知识：失重状态下宇宙飞船中的种种画面，总会让我联想到《辛普森一家》里面的荷马·辛普森在一堆炸薯条中飘浮的场景（是他把薯条偷偷藏在袖口和背后带上飞船的）。然后，他在一群蚂蚁中间飘浮着，因为只要荷马·辛普森出现，他身边都会有很多蚂蚁。毕竟辛普森遭遇的事情，永远没有最坏，只有更坏，真是厉害了！

那么，想要永远摆脱地球引力至少需要达到什么速度呢？这个速度也被称为“第二宇宙速度”，为11.2千米/秒，也就是40320千米/小时。如果想要摆脱月球的引力、逃离月球，只需达到2.38千米/秒的速度就行了，因为月球的质量比地球小。当然了，在地球上还要考虑逃离地球时的大气阻力。

想要逃离地球着实困难：需要大量的能量来支撑，所以宇宙飞船都装有很强大的发动机（之前，我们所说的发动机指的是没有推动作用的发射器，就好比我们把一个球扔向前方时发出的力量）。为了能够成功逃离地球，需要能够在飞行过程中一步步减少体积和自重的火箭。这就是为什么从肯尼迪角及其他发射中心传来的图片中，那些火箭总是在空中四分五裂—在发射的那一瞬间吸收了巨大的能量。火箭在飞行过程中会不断分离机身，这其实是有助于其飞行的：体积越小，重量越轻，受到的地心引力也就越小。当火箭抵达太空时，剩下来的已经是很小的一部分了。这种方式可以使飞船飞到月球、火星甚至太阳系的边缘，并且永远不会再回到地球上，如旅行者号探测器一样。

让我们再来仔细研究一下这个问题。一个物体的自由落体速度是多少？这个问题的答案似乎很明确：一个物体的掉落速度会在重力加速度（9.81米/平方秒）的作用下持续增长，这个是西班牙人在小学时就学过的知识。可是，除此之外，我们还是应该考虑到大气的摩擦力对降落速度的影响，不能因为我们平时看不见、摸不着大气就忽略它的作用。物体的表面积越大，大气对它产生的摩擦力也就越大，可以联想一下为何降落伞的表面积这么大。这个摩擦力会随着物体降落速度的增大而增大，但是这个速度增加的过程并不是无止境的，而是会在物体达到一个终端速度时停止增长，此时降落中的物体会进入匀速运动的平衡状态。举个例子，如果降落的时间足够长，一个跳伞的人在打开降落伞之前，就会达到他的终端速度，并且会一直以这个速度降落。这是因为大气的摩擦力会和这个人自身的重力相互抵消，而由于大气摩擦力是随着运动速度增加而增加的，所以产生这个抵消的效果需要一定的时间。这个跳伞运动员的终端速度可以达到198千米/小时。

科学逸事：流星雨（传说中可以实现愿望）就是很多陨石碎片以高速进入地球大气层（一般来说，是在地表80千米到110千米的高空中）后、发生自燃并留下运行痕迹而形成的现象。流星雨现象在我们人类眼中弥足珍贵，譬如每年夏天的“英仙流星群”—也被称为“八月流星群”，因为一般会在8月10号左右出现。流星雨这种短暂的焰火现象看似是大气摩擦力导致的，但事实上是由于高速冲击过程中产生了一种巨大的压力（高速运动中的物体周围的大气会被压缩，气压变大，因而物体本身的温度升高，导致流星自燃）。只有那些体积足够大、不会在降落过程中被分解的陨石才会降落到地面，而其他的，就成了我们口中的小流星雨。

我把“我们如何才能逃离地球？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@Heichou_bicho：有一本好书就行了。

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@Gloriamaria Esthefany: 去海里。

.13.恋爱的粒子

在东方文明中，有一个“决定命运的红绳”的概念。在一些传说中，月老神会用一根红绳将两个人连在一起（要么把红绳绑在脚踝，要么绑在手指上），这根红绳会使两个人的命运紧紧联结，不论天南海北，他们最终都会相遇，并且坠入爱河，深深地被对方影响，相互渗透到对方的生活中。这根红绳可以无限延长，并且永远不会断掉（在西方文明中，我们也有类似的说法，如找到另一半灵魂等）。确实，当我们恋爱时，我们会对喜欢的人产生一种非常强烈的心电感应。不管你和对方距离多么遥远，他/她经历的事情好像都会以某种形式对你产生一定的影响。

事实上，这种“感应”现象不仅仅存在于人和人之间。量子物理学定律之中的那些次原子粒子[ 次原子粒子：指结构比原子更小的粒子。包括电子、质子、中子、中微子和渺子等许多其他奇特的粒子。]之间也广泛存在着“红绳的牵绊”，从某种意义上来说，这些粒子也“坠入爱河”了。如果在某一时刻，两个粒子产生了相互作用，那么一定程度上，它们之间会永远保持这种关联。即使这两个粒子隔着光年的距离，甚至处在宇宙的两端，也会继续对彼此产生一定的影响。但是，这种关联在粒子之间是短暂、瞬间的。这就是“量子纠缠”现象，数学表达形式为“狄拉克方程”。用一个物理公式来描述这种粒子之间的“恋爱”的话，那么就是这个公式：

几个粒子在彼此相互作用后，其拥有的特性就会综合成为整体性质，所以无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，这种现象被称为“量子纠缠”。这些粒子的运动属性都能够在量子力学的波函数中体现。例如：一个由双粒子构成的量子系统，其自旋数（如果不能理解这个概念，你可以想象成一个自转运行系统，但是二者之间并不完全一样）很有可能为0。也就是说，这种情况下，这两个粒子其中一个自旋为1/2的话，另一个自旋则为-1/2。加起来，这个系统的自旋为0。

这个现象有趣的点在于：当我们将这两个微粒的其中一个留在地球上，而把另一个放到仙女座星系当中，如果我们测出一个粒子的自旋（如1/2），那么另一个粒子的自旋一定为它的相反数，这样才能够确保这两个粒子的综合自旋保持为0。这和硬币的两面是一样的，当你投掷一枚硬币，如果朝上的一面是花，那么朝下的一面就一定是国徽。

上述说法好像略显复杂。简单说来，就是我们在地球上操作一个物体，在千里之外的另一个星系中，另一个和这个物体关联的东西会有同样的变化。假设，你现在在地球上，你的最好的朋友在另一个星系。然后，在地球上，有人刺了你一刀，你血流不止……那么，你的朋友在250万光年之外也会产生疼痛感。这非常难以置信，但是在次原子的世界中，在量子力学的规则之中，这个现象是真实存在的。这也就是为什么有人把“量子纠缠”形容为“恋爱的粒子”。

当次原子粒子的这种强关联特性被发现时，在物理界引起了一些争议，因为这种强关联属性违背了爱因斯坦狭义相对论中的一大基本假设：光速是宇宙中的极限速度，没有任何信息可以超光速传递。然而，在量子纠缠中，一个粒子的自旋信息可以在瞬时被250万光年之外的另一个粒子接受，显然其传递的速度远远大于光速。爱因斯坦把这个现象称作“鬼魅的超距作用”，并且坚持认为量子理论并不完善，还有瑕疵，量子理论应该像牛顿力学一样接近真理，但目前还不是真理，它背后必然还隐藏着一套真正正确的理论。1935年，爱因斯坦和他的同事波多尔斯基、罗森为论证量子力学的不完备性而提出了一个EPR悖论（EPR 是这三位物理学家姓氏的首字母缩写）。他们认为：如果这种量子纠缠真实存在，那么量子力学理论还缺乏一套完备性判据。

对于量子纠缠和量子力学的争论一直持续到1964年，北爱尔兰著名物理学家约翰·S.贝尔（发明了著名的贝尔不等式）提出了一个绝妙的数学定理，该定理可以证明量子纠缠是有可能真实存在的，并且同样证明了科学理论不一定要和人类理解的现实一致。同时，贝尔的实验结果也否认了爱因斯坦之前提出的问题。正是由于贝尔，饱受争议的量子力学可以通过实验被检验，物理学得到了进一步的发展。

自贝尔之后，不断有实验表明粒子间的强关联性是真实发生的。这种属性也被广泛地应用在很多早期的科学技术中心，如量子计算学和量子密码学。粒子的强关联性在2017年麻省理工学院联合维也纳大学的一个研究中被再次证实。同样在2017年，中国的科学家成功实现了使距离1200千米的两个光子发生量子纠缠（在这之前，量子纠缠发生的最大距离为100千米）。

粒子之间的强关联性使得很多曾经只存在于想象中的事物有可能成为现实。比如说，我们在很多科幻电影（如《星际迷航》）中看到过的量子传输。想象一下：假设在另一个星系中有一个粒子和你在地球上拥有的一个粒子产生了强关联，那么你可以通过操作地球上的粒子，来改变另一个星系的粒子状态，甚至可以身处地球，去构建在另一个星系中你想要的一切，这就是量子传输。然而，量子传输存在一个缺陷，即传输的对象只是物体的一种“状态”信息，不能传输具体的物体或者能量，因为这些东西的传输不能够超光速运行。同时，量子力学还面临另外一个问题：虽然量子传输可以传输信息，但是这种传输是随机的、是一定概率下才会发生的，这就使得很多构想难以实现。但是现在，在物理学家的努力下，我们基本已经能够克服这种概率上的障碍了。

现在，我们已经能够用量子传输去传送粒子的特性了。例如：2012年，科学家成功地凭借量子传输传送了两个光子的特性，其中一个光子位于西班牙拉帕尔玛岛的卡普坦望远镜，另一个位于西班牙特内里费岛的欧洲航天局光学研究站，彼此相距143千米。光子的特性正被用于量子计算学中，诺贝尔物理学奖提名者、西班牙物理学家胡安·伊格纳西奥·希拉克是量子计算学界的杰出人物。虽然应用量子计算学的计算机具有极其强大的功能，其应用的复杂程度超乎一般人的想象。

量子传输现在还局限在量子力学领域之中（现在，量子传输被应用在高速且安全的光纤通信领域），在其他宏观领域，如通过量子纠缠来运输一个人的信息，目前还不现实。就这个例子而言，还面临着棘手的伦理哲学问题。如果我们通过量子纠缠，在另外一个星系创造出一个地球人的克隆版，并将这个地球人的全套信息传输过去，另一个星系的克隆人会有地球人具备的所有思想吗？会有灵魂吗？灵魂到底是不是个伪命题呢？我们应该如何处置留在地球的这个人呢？根据理论，量子传输过程的一大关键在于摧毁信息源（1982年提出的无克隆定理中指出了这一点）。所以，电影《星际迷航》中的量子传送器其实是一个非常危险的设备，我们很有可能死在这个传送器里面……所以你看看，这是多么棘手。真是个让人头疼的关联。

.14.机器人将来会掌控我们吗？

很少有像《终结者》这样一部看完之后能对我产生巨大震撼的电影。我这么说，不仅仅是感叹于《终结者》剧情的峰回路转，更是因为电影中大胆提出了“天网”—一个人类于20世纪后期创造的以计算机为基础的人工智能防御系统，最初研究用于军事的发展，后自我意识觉醒，视全人类为威胁，以诱发核弹攻击为起点发动了将整个人类置于灭绝边缘的审判日。如果这个电影剧本成为现实，那么在2029年，这些智能机器人就会把人类灭绝。

机器人的英文“Robot”来源于捷克语，有工作的含义。机器人这个概念听上去很现代，但其实机器人的起源最早可以追溯到古希腊的“自动装置”。18世纪，机器人发展的巅峰时期来临了—钢琴演奏器、长笛演奏器、象棋机器人以及布尔戈斯大教堂著名的敲钟机器人等均被发明了出来。同样地，人类创造出的人工智能终将毁灭人类这一说法也是由来已久，著名的《弗兰肯斯坦》就讲了这样的故事。难道这些机器人真的会奋起反抗，毁灭人类吗？

可以确定的是，我们现在正处于一个机器人发展的鼎盛时期（现在，伴随着技术的高速发展，人工智能已经成为世界经济增长的引擎），但并不是所有机器人都具有人的形态。大部分机器人在工厂制造线上负责流水线生产，特别是在汽车行业，利用机器人来制造产品最为常见（在这些地方，与其说是机器人，不如说是机器臂，因为它们的形状和人类的手臂一样）。医学里面同样有人工智能的应用，比如将机械臂、机械骨骼安置到残疾人的身上，让他们可以更便捷地生活。著名的达芬奇手术机器人还能够辅助人类进行复杂的外科手术（但值得注意的是，机器人是没办法单独操作手术的，仅仅能起到辅助人类的作用）。

机器人这个词语有着很广泛的含义，从人工智能到自动程序。更准确地定义机器人的话，可以认为它指的是具有固定形态的、能够机械化移动的一种器具，如工厂里的自动臂。这些机器只会在特定的环境中对一定的刺激产生固定的反应，所以基本不具备什么智能元素。人工智能却不一定需要有固定的形态，也不需要对固定的刺激做出死板的反应，因此更多应用在软件程序之中。比如说，苹果系统的Siri就会对苹果用户的提问进行回答，还有IBM（国际商业机器公司）研发的超级人工智能系统“沃森”。但是一般来说，机器人和人工智能这两个元素会被结合起来运用。

像《星球大战》中C-3PO的那种人形机器人，也就是上文中提到的那种，其实并不是机器人中最受关注的类型，但人们的确花了大量的精力和时间来研究并发明更好的人形机器人，这些机器人被创造出来并已经被用在酒店、机场、餐厅等公共场所，以向客人提供指引和咨询服务，相对而言具有一些简单重复的工作特性（C-3PO也是一样）。著名的人形机器人还包括日本企业软银机器人的三大机器人佩帕、纳奥和罗密欧。在日本，人们对于研究机器人有着格外浓厚的兴趣，有一个叫石黑浩的大学教授根据自己的外貌造了一个人形机器人，这个机器人和他的外形相似度高达90%。

我们在上文中也提到过，现在，机器人的大部分应用场景仍局限于工业领域、无人驾驶和家电设备中。因此，人们希望在未来，机器人的应用能够从工厂走进普通人的家里。虽然，这些机器人可能并不是你想象中的英式全能型管家，而是一个自动熨衣器或一个三明治制作机器。我们完全不需要担心这些机器人会在哪一天把人类淘汰掉，因为我们和机器人之间有一个巨大的本质差异，那就是机器人是程序编造制作出来的，完全理性、充满逻辑和规则，但它们缺乏感性部分、没有情绪。这也就是为何机器人永远无法替代人类，甚至没有办法成为《银翼杀手》里面的复制人。何况，据科学研究表明，人类智慧的85%都诞生于我们的情绪，而这种感情正是现在的这些机器人还不具备的东西。

说到这里，让我们回到最初的问题：“机器人将来会掌控我们吗？”我们绝不是第一批有这种担忧的人。伟大的科幻作家和科普作家艾萨克·阿西莫夫在1942年提出了“机器人学三定律”。三定律内容如下：

第一定律：机器人不得伤害人类个体，或者目睹人类个体将遭受危险而袖手旁观；

第二定律：机器人必须服从人类给予它的命令，但不得违反第一定律；

第三定律：机器人要尽可能地保护自己免于毁灭，但不得违反第一、第二定律。

流行小知识：2004年上映的电影《我，机器人》和阿西莫夫的原著内容相差甚多，但是电影中提出了在发展机器人和世俗伦理道德之间进退两难的困境。警探戴尔·史普纳是电影主人公，同时也是一个非常憎恶机器人的人。电影中，机器人已经成为地球上很常见的存在，也是最为普遍的劳动力，这些机器人都严格遵守“机器人学三定律”。可是史普纳为什么这么讨厌机器人呢？因为曾经有一个机器人，在灾难中面对选择救他还是救另一个年仅12岁的小女孩时，决定救他并放弃那个小女孩，因为机器人算出史普纳生还的概率为45%，而小女孩活下来的概率只有11%。史普纳却认为：虽然小女孩只有11%的概率能够存活下来，但是哪怕只有1%的希望，只要这个概率不为零，就应该用尽全力去拯救她。类似的选择会发生在每一个由程序算法构成的人工智能中，尤其是在自动驾驶（未来汽车上都不会有司机了）、交通管控系统、空运和铁路控制系统等领域。当这些算法面临救两个老人还是救一个小女孩的问题时，机器人会如何抉择呢？或许，救两个人比救一个更好？另外，如果救下一个摩托车驾驶员有80%的成功率，救下一辆满载的校车只有30%的成功率，这些算法会怎么选择呢？或许，正是由于以上的这些伦理和道德难题，使得这些完全由算法组成的机器人还没有完全应用到我们的日常生活中吧。

正如我们理解的，三定律的关键正是为了防止人类经历机器人反叛。为了避免这种担忧成为现实，机器人学三定律会被写进每一个机器人的算法程序设置当中，作为机器人的一种道德代码。这到底是如何实现避免机器人反叛出现的呢？如果机器人违背了三定律，它们的内在程序会让其走上自行毁灭的道路。阿西莫夫提出的观点正是对于人类对抗“弗兰肯斯坦情结”的体现，即所有人类潜意识里对机器人奋起反抗人类并消灭人类的恐惧。

机器人现在对我们造成的最现实的威胁（包括自动化设备）是就业危机。在专业性不强、重复性高的那些劳动中，人类已经被机器人替代。有人认为科技是创造就业机会的原动力，这是历史上所有科技革命的经验。人类需要的是不断学习新科技，并去适应新的科技。然而，这种观点可能还是过于乐观了。历史经验并不等于未来，尤其是在人口飞速增长的环境中，机器人对于人类的就业会带来怎样的影响仍然未知。还有另一种说法，认为机器人的发明可以让人类进入一个后工作时代，也就是所有的工作都交给机器人去完成。目前，所有的观点都只是臆测和推断，只有时间才能告诉我们未来究竟会怎样。

总而言之，人类发展科技的目的之一本来也在于解放劳动力，让人类更少地工作、更多地消遣。对于资本主义而言，现实利益是做出选择的最重要因素：机器人会大大降低企业的成本，虽然这会使很多工人失业。考虑到这个情况，很多工会已经提出让机器人交税的建议（当我们说到机器人时，更确切地说，我们指的是那些使用机器人的企业家），而且还有理论家指出机器人也会占用社会资源。但我们现在还不知道，未来，这些机器人是否也会去商场逛街，毕竟，正如我们熟悉的T-800[ T-800：电影《终结者》中，由阿诺德·施瓦辛格饰演的终结者。]说的：“这种欲望毫无意义。我不过是一个机器罢了。”

.15.关于地球的真相和谎言

我最遗憾的事

是永远没有办法和

森林的树木

播下的种子

刮灭深夜烛灯的那缕微风

铁锈

甚至是地球最中心的镍矿

这些东西感同身受。

—星球乐队《铁和镍》

假设我们现在乘坐于一艘比光速更快的宇宙飞船前行，在广袤的太空中，我们从飞船上眺望我们的家园—地球。从远处看，这颗被我们毫不手软地尽情糟践的星球，只是太阳系里的一个“暗淡蓝点”（美国天文学家及天文学作家卡尔·萨根的著作名）。在宇宙的海洋里，这颗小小的蓝点就是我们赖以生存的家园，并且到现在为止，也是人类唯一的栖身之处。卡尔还说过，在这颗小小的、不甚起眼的星球上，发生着对人类至关重要的一切—爱情、战争、历史、灾难。然而，地球确实只是宇宙中最渺小的一个存在。

地球是一个由多种物质组成的球体，围绕着太阳公转。古代的人凭直觉断言太阳绕着地球转（毕竟，站在地球上看，地球是一个永恒、坚固的存在），还认为天圆地方（确实，如果我们站在一个足够大的平面上，看起来地面确实像个方形）。之后，怀抱着探索真理的勇气，近现代科学家提出了对这种说法的质疑，并试图探索关于地球的真相。这些科学家，或者说革命家包括伽利略、哥白尼、开普勒和牛顿。随着人类开始探索太空，从阿波罗11号等飞船上拍摄的地球照片确凿地证明了地球是一个球体，并且是地球绕着太阳转。这终于让一些始终坚持地球中心论的拥趸者幻想破灭。

当然，古时候也并非所有人都相信天圆地方这一说法。古希腊著名的智者、数学家、地理学家兼亚历山大港图书馆馆长埃拉托斯特尼（前276—前194），在两千多年前就测出了比较精确的地球半径。他是怎么完成这个壮举的呢？在埃及阿斯旺，6月21日，也就是夏至日这天的中午，从北回归线上看，太阳正好在天顶的位置，阿斯旺在回归线稍北。此时，太阳光垂直照射，按理说物体的周围不会出现阴影。然而，在亚历山大港，也就是在地球另一个纬度上的同一时刻，太阳光并非垂直照射，仍然会有影子出现。通过测量并比较阿斯旺和亚历山大港两处同一根棍子的阴影差别，埃拉托斯特尼测算出了这两个地方之间的地表曲度。在一次奴隶运输中，他又算出了两地之间的大致距离，然后便运用三角学“轻松”得出了地球的半径—约6000千米。最让人震惊的是，他在当时计算出的数据和真实数据之间的误差不到10%（地球半径为6370千米）。并且，埃拉托斯特尼之所以要这么做，纯粹是因为他不认同当时人们普遍相信的说法，他坚持认为地球是圆的。

科学逸事：棍子—很少有像棍子一样玩法那么多的东西了。相信大家都知道“眼见为实，耳听为虚”。现在我们可以来点小惊喜，让自己通过真实的经历去感受数学，比方说模仿埃拉托斯特尼的做法。选择一天中午，进行一次室外实践，我们可以带上各自的“日晷指针”—自拍杆、簸箕等常见的棍状物体，只要棍子的垂直高度在50厘米到1米之间即可。首先，我们可以在谷歌地图上看到自己所处位置的经纬度坐标（或者其他类似的手机应用软件）以及距离回归线的距离（回归线纬度为23°26′）。这个时候，记录下所带棍子投影的数据，然后再次用手机或者计算器把这些数据代入公式里。这样就可以算出地球的半径了。仔细看看得出的结果和真实数据的误差有多大呢？你是不是比埃拉托斯特尼算出来的更精确呢？

太阳直射到北回归线的情景一年只有一次，因为地球公转周期为一年。除地球的公转之外，地球还会自转，自转使得白昼黑夜交替出现。地球的一个自转周期为24小时，正好是一天的时间。

大部分人会以为四季交替的现象和地球绕日公转以及地球距离太阳的远近有关。在地球公转轨道上距离太阳最近的位置叫近日点，距离太阳最远的位置叫远日点。但是，四季的出现是因为地球的自转轴和公转轨道平面呈23.5°。当地球处于远日点时，阳光会垂直照射到北半球上，所以在这个时候北半球就会迎来夏至，而此时是一周公转中南半球接收到太阳光照最少的时刻，也就是南半球的冬至。反之同理—当阿根廷是夏天的时候，西班牙是冬天。也就是说，在赤道以南的地方，圣诞节都是夏天过的。

其实，地球的运动并不像我们在课上学到的那么简单，只有自转和公转。地球还会受到岁差、章动和钱德勒摆动的影响，这三者对其的影响类似于让地球变成一个陀螺，不停晃动。岁差指的是地球自转轴的方向会逐渐漂移，最终它摇摆的顶部会以大约25676年为周期扫掠出一个圆锥（在占星学称为“大年或柏拉图年”）；章动，是月球围绕地球公转时，月球的引力会导致地球在公转轨道上左右摇摆，一个周期为18.6年；钱德勒摆动，是地球自转轴相对于地球表面的小幅度运动，由美国天文学家赛斯·卡罗·钱德勒发现，摆动幅度最大可使自转轴偏离理论位置9米。

我一直觉得“钱德勒摆动”这个名字很有趣。想象一下，物理学家们去问钱德勒：“钱德勒先生，我们要怎么命名这个现象呢？这个现象没有固定的规律可循。摆动？好的，我们记下了。”由于这个现象，在1000年后，现在我们指的北极星（勾陈一，也叫塞纳久，位于小熊座小熊的尾巴尖处）将不再指向地球的北方。那时，北极星会变成仙王座γ星。到公元14000年前后，天琴座α星织女一将获得北极星的美名，成为离我们地球最近的星座之一，距地球“只有”25光年。

如果地球的自转轴是垂直于公转轨道、没有任何倾斜角度的话，地球上就不会有四季出现，太阳光将会始终直射于赤道上。这就会使赤道地区永远炎热、干燥，变成荒漠地带。而在地球的北部和南部将会成为永恒的寒冷冬季，就像《权力的游戏》中的临冬城以北，永远是冰封的情景。

科学逸事：根据澳大利亚天文学家乔治·多德威尔的理论，公元前2345年，一颗小行星对地球产生了巨大的影响，造成现在地球自转轴的倾斜现象，并带来了一次毁灭性的全球洪水灾难。这一天，正好是基督教《圣经》中记录的大洪水灾难发生的那天，也是挪亚方舟建成的那天。他认为在小行星的影响过后，地球开始慢慢地从剧烈的倾斜自转轴中恢复，在1850年时才达到现在的自转轴角度。自转轴的倾斜率变化或许能够解释为什么古代建造的许多用于记录行星位置和日出日落位置的寺庙和建筑与现在的测量结果不一致。

很多人都会问我同一个问题：地球为什么会绕太阳转？这个问题的答案或许要从太阳系的形成开始讲起。46亿年前，一片巨大的分子云中发生了一小块引力坍缩。大多坍缩的质量集中在中心，形成了太阳，其余部分摊平并形成了一个原行星盘，继而形成了行星、卫星、陨星和其他小型的太阳系天体系统。这或许就是为什么会有众多物体在同一个平面内、按一定的轨道（椭圆轨道）绕着太阳旋转。

科学逸事：在10岁之前，我和我的所有同龄人一样，都梦想着成为像超人一样的人物。很多年后，我发现这部电影完全违背了科学原理（不仅因为超人在以超音速飞行时的发型纹丝不动）。电影里有个场景是超人为了把别人从地震中解救出来，绕着地球进行高速旋转，直到改变地球的自转轴：首先，超人让地球停止了自转（骗人！）；其次，他改变了地球的自转轴（骗人！×2）；再次，这个行为在电影中使得时间倒退（骗人！×3）；最后，超人成功地救出人了。真是一派胡言！如果地球真的可以瞬间停止自转，那么地球上的一切物体，包括人类，都会在惯性的作用下以超过1600千米/小时的速度做离心运动。另外，地球自转轴的变化并不会引起时间倒退，这是显而易见的事情。

就算没有所谓的超级英雄，我们的地球也正在以极其缓慢的速度减慢自转速度（在潮汐引力的作用下，地球每年的自转周期会比上一年增加17微秒）。也就是说，4亿年前，地球上的一天只有22小时（一年有400天）。那么，地球最终会有停下自转的那天吗？如果地球真的停止自转，又会发生什么呢？若是如此，首先，白昼黑夜不再变换。并且，由于离心力消失，地球上的物体会完全改变—水会聚集在两极，而陆地会以一个圈的样子集中于赤道。根据ESRI（美国环境系统研究所公司）的计算模拟，届时南北极会形成两个大洋，现在的西伯利亚、北极和加拿大会被完全淹没。但是，完全不用担心这个现象发生，因为在这个时间到来之前，约60亿年后，太阳早变成红巨星吞噬掉地球了。

还有一种非常疯狂、但毫无道理的言论，即“地心空洞说”。支持地心空洞说的人认为地球是一个中空的星球，且地球中空的内部有一个适宜人类居住的内表面，存在着非常发达的文明。他们认为UFO和“外太空”飞碟其实就是从两极中飞出来的，源于地心内部。而且，在地心里，还有另一个太阳。这些阴谋论者认为我们的政府知晓这一切，但是极力隐瞒，并试图说服人类地心空洞说是荒谬的。在一些科幻小说，如法国作家凡尔纳的《地心游记》中，作者运用了丰富的想象力，描绘了一个发达的地心社会。埃德加·爱伦·坡和霍华德·菲利普·洛夫克拉夫特等作家也有类似题材的作品。

但是，地心空洞说及相关的阴谋论并没有被任何科学证据证实，反倒是地震波能够证明我们的地球是实心的，并且众多的物质共同组成了现在的地球表层系统。而且，地球内部存在着天然磁性现象，被称作“地磁场”，对太阳风所挟带的带电粒子有屏障作用。地球的磁力来源于地下的大量磁性物质，如铁、镍、铬等元素。更别说，人造卫星也从未在地球两极勘测到任何可以进入地心的空洞。

地球的温度在越靠近地心的地方越高，这个现象被称作“地温梯度”，最中心的部分可达6700摄氏度，甚至超过了太阳表层的温度。地球形成的过程中产生了极高的温度，组成地球的各种物质，在碰撞、融合、固化的过程中释放出了巨大的能量，并最终形成了地核。但现在，地心产生的热能主要是因为放射性同位素铀、钍、钾元素的原子分裂。一旦这种放射性效果减弱时，向外释放的热量就会超过自身产出的热量，因此地心的温度也会逐渐下降。

关于组成地心的物质种类存在着许多推测。最近有推测认为：地核富含重原子，也就是元素周期表中序数大于55的那些元素的原子，其中就有金和汞。这些重原子可能属于40亿年前一次陨石撞击地球时的残留。另外，地核里还有许多氢氧化合物，这些氢氧化合物一旦发生爆炸，其烟雾足以覆盖整个地球表面且厚达4米。

根据多种不同的测量方法算得，地球的质量为6×1024千克。如果地球是一个中空的、只有12千米厚的空壳的话，那么要达到这样的总质量，地球表面物体的密度应该是我们人体密度的1000倍，比元素周期表中密度最大的物质还要大得多。一勺海滩上的沙子可能就重几百万吨。这样一来，地球上就不会存在重力现象了—正如高斯定理中对中空物体的验证一般，重力不会存在，只会存在因地球自转而产生的离心力（想象一下滚筒洗衣机里的衣服）。赤道上的离心力最强，但就算是在赤道，地球产生的离心力也不足重力的三百分之一。也就是说，人类不可能在离心力的作用下稳稳地待在地面上。

到现在为止，地球的内部构造还有很多未解之谜。人类目前涉足的区域也只限于很浅的地表部分。人类挖掘的最深的钻孔是苏联的科拉超深井，深达12千米。位于北太平洋的马里亚纳海沟是所知地球上最深的海沟—《泰坦尼克号》导演詹姆斯·卡梅隆独自乘坐潜艇“深海挑战者”号深入海沟最底部，成为单枪匹马潜至“地球最深处”的第一人。但是，就算是目前发现的最深的地方，也只有地球半径的0.1%而已。这颗我们赖以生存的蓝色星球的内部对我们而言，还是个巨大的谜，等待着我们去探索发现。

我把“为什么会有春夏秋冬存在？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@josegarcor:因为只有存在春夏秋冬，我才可以抢到从塞维利亚去马德里的高铁票。

@Mgm_5:因为以前我们的披萨上只有四种芝士。

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@Mararia Mararia:可能这是自然选择出最适合人类生存的一种环境吧……这纯属我个人胡说的，因为毕竟我住在加纳利斯（热带区域）。

.16.为什么天空是蓝色的？

每当我们全家去海滩度假，我的女儿总会问我一个问题：“爸爸，为什么天空是蓝色的呀？”虽然在她小时候，我的物理学知识还非常薄弱，但是我已经完全能够凭借已有的知识给她一个客观、科学的答复了。但是，我的女儿毕竟只有6岁多，她无法理解科学性的解释，所以，为了让她明白，我用我妈妈小时候回答我的方式回答了她的问题：“天空是蓝色的，是因为它反射了海洋的颜色呀，亲爱的。”在我看来，这个回答足以说服她。但是，我女儿听到这句话后，立刻抬起头来又问了另一个问题：“那为什么不是海洋反射了天空的颜色呢，爸爸？”

除了云彩、污染和黑夜的特殊情况，天空始终是蓝色的。如果是绿色或者紫色的天空，抑或像爱德华·蒙克的著名画作《呐喊》的天空颜色都不是正常的颜色。

那么，天空为什么是蓝色的？我们都知道太阳的光线是无色的，或者说是白色的。然而，天空的蓝色恰好与白色的太阳光线有联系。之前的章节中，我们已经提到过，白光就是所有可见光的集合（从能量最低、波长最长、频率最低的红光算起）。肉眼可以看见这个范围的光线是适应和进化的结果。

在红光之外，在电磁光谱上，还有红外线（就是有体温的生物身体中发出的光，很多夜视仪能够探测到人体的红外线）和无线电波（收音机发出的电波）。这些波的频率比可见光波的频率更低，产生的能量也更低。

在蓝光之外，有紫外线（太阳光中含有大量紫外线，会使皮肤产生灼热感）、伽马射线（主要产生于核反应中，对人类有很大的危害作用，是超级英雄电影中不可或缺的元素）。这些光波的频率比可见光波的频率更高，因此能量更大。所有的光波中，人类只能看见可见光，也就是从红光到蓝光这一段，其他的光波都是肉眼看不到的。还有很多时候，我们会听到电磁辐射这个说法，电磁辐射是将电场和磁场中产生的震动效应延伸到了空间中。

科学逸事：我们看到的这个世界和这个世界原本的面貌并不完全一致，我们接收到的画面是基于感官可以接收到的信号形成的。我想说的是，这个世界存在着人类看不到的光线和听不到的声音（众所周知，狗可以感知某些人类听不见的声波，也就是超声波）。天文物理学家通常会利用不同频率的光波来观测天空，并且发现，通过不同的观察工具，如在可见光望远镜、X光望远镜、无线电波望远镜和紫外线望远镜下，天空展现出的情景都是完全不同的。所以，宇宙在每一个频率的光线之下都有一个独一无二的面貌。

现在，在简单了解了关于不同光波的基本种类后，我们再次回到一开始的问题：为什么天空是蓝色的？这是因为地球上存在大气层。当太阳发出的白光经历了8分30秒的传播抵达地球大气层时，会出现瑞利散射现象（瑞利散射规律是由英国物理学家瑞利勋爵于1900年发现的并因此得名）。瑞利散射发生的条件是粒子尺度远小于入射光波长（小于波长的十分之一），表现为其各方向上的散射光强度是不一样的。

瑞利散射是指散射光线传播路径同入射光线的传播方向之间存在偏离，散射光线的强度与入射光线波长的四次方成反比，也就是说，波长愈短，散射愈强。另外，由于光波的波长很大程度上决定了散射强度，因此短波光和长波光之间的散射效应差距很大（毕竟是四次方）。

由于瑞利散射的强度与波长四次方成反比，所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长的红光的散射更明显，而短波中又以蓝光的能量最大。在大气分子的强烈散射作用下，红光经过大气层后依然沿原直线传播，形成了黄昏时分人们肉眼看到的太阳外圈的红色光晕，而蓝色光被散射至弥漫天空，天空即呈现蔚蓝色。当我们望向天空时，蓝光会进入我们的双眼。另外，同样由于蓝光的散射，我们看到的太阳是有一些发黄的。但是，在大气层之外看到的太阳是白色的，和宇宙的一片黑暗形成了强烈反差。所以，如果没有大气层，地球上就不会有所谓的“天空”，而是一片黑暗罢了。

流行小知识：“我的沉默是蓝色的，你的天真是蓝色的，我们的拥抱是蓝色的。”这是《蓝色》—我最爱的歌曲之一里面的歌词。为什么这些东西是蓝色的呢？可能是因为蓝色总会让人联想到和平与安静，在某种程度上，它代表了一种比较平和的精神状态，或者是消极、抑郁、悲伤的心情。这可能是因为，在盎格鲁 — 撒克逊文化中，蓝色是悲伤的同义词（feel blue即感到忧伤之意），带着淡淡哀伤的音乐风格被称为“蓝调”。另外，还有蓝色周一这个说法—一月的第三个周一被认为是一年中最让人抑郁的一天，甚至还有一个伪科学公式来说明悲伤的来源：公式的参数包括了圣诞节购物后账户上的余额、离圣诞假期结束的时间、冬天的寒冷以及每个周一固有的工作压力。在西班牙，类似的说法是“一月水逆”。

为什么会出现散射呢？这是因为光线不只是一种波，从量子物理的角度来看，光还具有波粒二象性。构成光波的微粒叫光子，是爱因斯坦在研究光电效应时发现的。因为光电效应，所以当我们在商场门口时，只有有人出现门才会自动打开。光伏电板发电也是光电效应的应用。我们可以把光线想象成一束包括了各种不同能量的光子的集合，这些光子进入大气后，会和大气中的尘埃、水滴相互作用，产生散射，照射路径也会随之发生变化。由于蓝光的光子能量最高，这些光子也就被散射得最广，分散在天空里，让天空显示出蓝色，而不是绿色或紫色等。

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这里有一些充满智慧的评论：

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@Heichou_bicho: 因为世界上大部分人都不是色盲。

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@MisTuiters: 因为有滤镜。

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@Samuel Baena Hayas: 对于独眼巨人（希腊神话中西西里岛的巨人）来说，天空是红色的。因为他只能看到红色。

.17.时间存在吗？

“如果你不问我，我就知道；如果你问我 ，我反而不知道。”这是哲学家圣·奥古斯丁对时间的看法。这句话的含义是：所有人都知道时间是什么，因为我们无时无刻不被时间包裹，经历着时间的流逝。甚至，从某种程度上来说，我们都被时间主宰，从出生、衰老到死亡（这个过程中，如果幸运的话，或许我们能够做出一点什么成就）。另外，“当下”其实是一个很难以捉摸的概念：当我们说出“此时此刻”时，就已经不是你说的那个时刻了，因为当你说完时，那个时刻已经成为过去。说起来很复杂，但其实每一秒钟都是独一无二、转瞬即逝的，这也是为什么我们常说“活在当下，抓住时间”。我们都生活在这浩大无穷的时间长河中，我们构成了时间的一部分。可是，如果有谁让我们解释到底什么是时间，我们很可能会语塞。这是一个非常难以解释的、复杂的问题。正如爱因斯坦某次说过的一样：对于科学家而言，时间不过是一种假想出的概念罢了。

时间在不同的历史阶段、不同的文化中有各种各样的解读。比如说，在很多东方文明中，时间是重复、轮回的。宇宙周而复始，人类在这个再生的轮回中生存、死亡。这是永恒轮回的传说，和尼采提出的历史重复的观点类似。相反，西方世界里主流观点认为时间是沿直线进行的。上帝创造了世界，时间便从此开始永恒地走向未来，直到最后的“审判日”来临。《启示录》中描绘了在直线前进的时间中，一个世界走向繁荣的景象。对于马克思主义者来说，是工人阶级的斗争推动了历史的前进，并引领人类走向革命、实现共产主义。这些都是直线型时间的例子，也就是从过去到未来，时间并不会出现重复轮回。

那么，科学界怎么定义时间呢？科学家们将时间同变化联系在一起。可以这么理解：如果世间万物都是静止不动的，没有任何一个物体在改变，那么我们会觉得时间也是静止的。所以，我们一般通过有规律的运动来测量时间的流逝：秒针、钟摆、太阳的变换和地球的自转。时间是一个物理概念，和空间的三维概念一样，时间可以用于确定一个具体的事件。举个例子，如果你想要和别人约会，那么你需要确定约会的地点（空间坐标）和一个具体的时间点（时间坐标）。然而，时间有一个重要特性，和空间特征完全不同：在空间中，我们可以随意运动，上下左右前后；在时间中，我们只能永远向前。未来的时间和现在的时间是完全不同的，是永远未知的。另外，还有一个热力学量“熵”，被用于测量一个系统中的混乱程度，同时也能描述出时间的长河到底会流向哪儿：一个体系总是自发地向着混乱度增大的方向变化，整个系统的熵值会逐渐增大。也就是说，世间万物总是会朝着混乱的方向变化，时间就在熵增过程中不断前进。虽然人类一直梦想着能够建造出时间机器，但目前还没有人成功过。

牛顿物理定律，也就是经典物理定律中认为时间是一个绝对概念，时间的前进方式是永恒不变的，所有人感受到的时间也是完全一致的。世界上不会有任何事物能够改变时间的运转模式，这是一种直观的看法。在日常生活中，我们确实这么认为，钟表好像始终如一地“嘀嗒”走着。但是，在我们的脑海中，还存在着另一种心理认知上的时间观念，这个时间在我们觉得无聊的时候过得很慢，而在我们欢乐的时候过得飞快。（那些派对时光总是很短暂！）当我们回忆童年时，我们会觉得小时候的一小时特别久，仿佛有一年那么长，而一年就好像一辈子。小时候觉得时间好像不会流逝，而随着年龄增长，我们会觉得时间好像越过越快，“时光飞逝”。对此，心理学家们的看法是：当我们还是小孩子的时候，周围的一切对我们而言都是新鲜的，在这种环境中时间过得很慢。所以，如果你想要减缓时间的流逝，可以去尝试更多的新鲜事物。这样，你感受到的时间会变得慢一些。这也是同日复一日的无聊生活的抗争。

爱因斯坦的相对论将时间视作时空网络的一部分。也就是说，时间不是独立于一切运转的，时间也会被各种事件影响而改变。正如我们在第一章中讨论的：运动速度越快，时间过得越慢，直到达到极限光速。在广义相对论中，重力作用也会影响时间—重力场作用越强，时间过得越慢，所以在地下室里面时间过得会比在顶楼更慢。请记住：如果你不想那么快地衰老，请一定要住在低楼层，虽然，这个效应微弱到可以忽略不计。总而言之，爱因斯坦理论中的时间是可变、流动的，和牛顿物理定律中的时间完全不同。

对我们而言，时间好像一条永不停歇的河流。但对于一些物理学家，如英国物理学家朱利安·巴尔布来说，宇宙其实是静止的，时间只是一种解读宇宙、观察宇宙的方式。或许，这些历史长河的每一个不同的时间点仅仅存在于我们的头脑之中，是我们的意识创造出来的，而现实中时间并没有变化。也就是说，或许时间是不存在的。

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@tonyrivas_01: 星系间法则不允许这么做……并且，这对胖子而言并不是什么好事吧！

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@RamonBet: 两瓶啤酒配上80年代的音乐，谁说不能回到过去了？

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@Jony Romero: 《龙珠》里提到过，时间旅行是一种对神灵的不敬，因此被禁止了。

@Pilar Arias: 因为哆啦A梦告诉我们，如果我们改变了时间，很多事情都会改变，世界会变得混乱，所以最好还是永远留在现在。

.18.为什么宇宙和你的房间一样，总是很容易变得一片混乱？

不知道你有没有发现，不管再怎么整理，房间总会很容易变得很乱：床上被子乱堆，衣服丢得到处都是，书架上的书被乱七八糟地摆在桌面上，坐垫又掉在地上了……起床时明明已经把所有的物品都整理得齐齐整整，可是不知道为什么，一到晚上房间又会变得很乱。所以，我们总是需要耗费一定的精力和时间来整理房间让所有物品归位。当然了，有的时候你可能也会偷懒，对这些置之不理，但是不论你整不整理，房间总是容易变得很乱。

其实，房间变乱的现象和自然规律如出一辙。宇宙中，每一个独立的系统倾向于往总能量最低、混乱程度最大的状态变化。物理学家们用一个热力学量，也就是我们前文中提到的“熵”来描述这种混乱程度。这个热力学量不仅仅给很多科学家带来了灵感，更激发了很多艺术家、商人等的想象力，大家都对“熵”具有浓厚的讨论兴趣。说不定，你甚至会在酒吧、艺术讲座等各种场所听到这个名词。

宇宙中的“熵”值具有增长的特性。这个特点是热力学第二定律的内容，也称为“熵增定律”，是我们的现实生活最能直观反映出来的定律之一。根据热力学第一定律，即假设宇宙中的总能量守恒，那么熵的增量总是大于零。这就解释了很多现象产生的原因。

熵增变化也解释了时间是怎么运转的，在日常生活中，我们能通过各种不同的表现形式见证过去到未来的变化。和空间不同的是，时间的运转是不对称的—我们不能回到过去，我们经历的一切都只能面向未来。在时间向未来进行的同时，熵值也一直在增加—整理过后，你的房间还是会越来越乱；当你摔坏一个红酒杯，杯子会碎成若干块，散落在地毯上，并且再也无法被拼凑回原来的酒杯了。生活不能够像播放视频一样倒带，因为时间无法倒退。

熵的概念是在18世纪下半叶，即在工业革命时期德国科学家鲁道夫·克劳修斯提出来的。之后，物理学家路德维希·玻尔兹曼阐明了热力学第二定律的统计性质。那时，人类刚开始研究热机，如蒸汽机、火车头等。人们发现热量总是从温度更高的物体传递给温度较低的物体。也就是说，一个只有25摄氏度的物体不会传递自身的热量给一个100摄氏度的物体。考虑到物体的温度是组成物体的分子震动产生的外在表现，这就好理解了：震动频率更高的物体会使得震动频率较低的物体加快震动，但这个过程反过来并不能成立。所以，在较高温度下，冰块会融化成水，它的分子结构变得松散，并且会吸收热量。相反，冰箱可以让食物在炎热的环境中保持低温，但是这个过程需要持续的电流输入，来提供充足的外来能量补给。

但人体是一个例外，人体是一个没有遵守热力学平衡规则的系统。在天气寒冷时，我们的体温并不会下降到和环境温度一样；当夏天到来时，我们的体温也不会高达40摄氏度。体温之所以一直保持在36摄氏度左右，是因为这是能够让身体各个器官正常运作的最佳温度（除了我们生病、发烧等特殊情况）。另外，人体是一个非常有秩序的系统，其中各个器官、组织、细胞都在有序运转……我们到底是怎么做到在违背热力学定律的情况下仍能安稳地生存在世界上的呢？这是因为，我们一直靠进食来补充自身消耗掉的能量。人类摄入各种各样的食物，并且消化掉这些食物，使其变成二氧化碳、氨化合物和其他被分解的有机物。也就是说，我们解构了环境中的各种成分，使其变得无序，以维持人体的秩序。可以说，人类一直在同熵增定律进行抗争。当一个人和环境保持了热力学平衡时，则意味着一个很可怕的事实：这个人已经死了—因为尸体会和环境温度一样，而不会保持在36度。

科学逸事：确实，热量会从温度较高的物体传到温度较低的物体上。如果想要逆转这个过程，则需要外来能量的支持。那么，可以降低水温的陶罐是怎么实现降温的呢？要知道，在30摄氏度的环境中，这个简单的容器（古罗马时期就有了）可以让热水降温到10摄氏度，并且耗时很短，整个过程不到一小时。这是因为陶罐的表面有很多细密的孔，能够让装在罐子里的水渗到外面（所以我们会说，罐子好像出汗了，从本质上来讲，这和人体出汗降温的原理是一样的）。

在陶罐内部，这些温度很高的水分子处于极其活跃的运动状态，相互撞击，在空气的作用下，会在陶罐内壁形成一团水蒸气，这些水蒸气紧贴陶罐，并进入陶罐壁上细密的空隙中，离开陶罐内部。这样慢慢地，内部水分子变少了，运动状态也不再活跃，水温便降下来了。

值得一提的是，来自马德里理工大学的两位西班牙研究学者加布列尔·品多和何塞·伊格纳西奥列出一个简单的热力学公式，来描述球形陶罐降水温的这个过程。虽然公式很简单，但是很具有现实意义。

当宇宙的熵值达到无限大以至于无法再增长的时候，在热力学上，宇宙就已经处于死亡状态了，因为此时宇宙中的一切物体都处于热力学的平衡状态，宇宙的温度也会到达绝对零度。在这种情况下，不会再有任何能量可以用来做功，就好像天塌下来然后世间万物都崩塌了一般。但幸好，宇宙要达到这个状态至少还要10100年的时间。

除了宇宙的崩塌之外，热力学第二定律在我们的生活中还有一个更为常见的表现—我们在做功的过程中始终会消耗掉部分能量，即我们不能够实现百分百的能量转换，做功的过程中总会将部分能量以热能的形式浪费掉—机器在运转时会发烫变热—而且这种变热并不是我们想要的结果。这种变热是一种对我们投入的能量的浪费。从这个意义上来说，一台机器永远无法百分百地实现能量的转化。这个热力学定律解释了为何永动机是不可能存在的—永动机就是能够永远不需要外来能量的补给（不需要电池、燃料供能）、不会浪费任何能量，并能够永远运转的机器。历史上有许许多多的发明家曾想方设法地要创造出一台永动机。显然，他们无一成功。

此外，熵增定律还可以解释事物的不可逆转性。比如说，如果你把一包白糖倒进水中，然后用搅拌棒把糖搅拌开来，糖会融化到水中。这个时候，如果你换相反方向来搅拌，糖还是会融化在水里，而不会恢复成原来的固态。为什么会这样呢？这是因为在搅拌的过程中，糖的熵值增加了，糖分子摆脱了固态时的有序状态，和水分子混合在一起，排列得更加混乱无序了。这符合熵增定律，所以是一个不可逆转的过程。那些不会和外界环境进行热量交换的过程（绝热过程）只有在其熵值不变的情况下能够实现逆转。然而，如果我们发现某个事物的运行过程会降低其熵值，那意味着其周围环境的熵增加了，而且总熵值肯定也是增加的。所以，当我们工作时，我们或许确实可以降低某物的熵，如整理我们的房间。但是，这个过程是一定会消耗许多能量的，毕竟大家心知肚明，收拾房间有多累。

《辛普森一家》有一集，荷马对他老婆发出呐喊：“丽萨，这个家里遵守的可是热力学定律啊！”

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@andejuji17: 因为熵增定律。如果你有一个强迫症的妈妈，那再好不过了。

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@sun_rt: 这不叫乱，这是行为艺术。

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@Carmen Peñalver Leon: 宇宙的混乱是我儿子搞的？胡安，你给我等着，我这就来收拾你！

@Silvia Cp: 一定是因为你妈妈没让你穿鞋！嘿嘿。

.19.未来，我们会变成半机器人吗？

达尔文的进化论告诉我们，世界上的一切生命体都是从一个原始单细胞进化而来的，这个单细胞是世界万物的曾曾曾曾曾……祖母，从它发源出地球上成千上万的生物种类。小到昆虫，大到鲸鱼、大象，从细菌、单细胞原生动物到人类，都起源于一个单独的细胞，并且形成了像人类大脑这么复杂神奇的器官。到目前为止，仍存在着许多我们还没有发现的物种。

但是，这个进化过程是相当危险的。根据自然选择理论，只有那些被环境筛选出来的生物—那些最能够适应环境变化的生物，才能得以存活。经过重重挑战，战胜环境的生物个体最终能够存活，并将自己的基因传递到下一代，保存下来。这个过程就是自然选择，带有极大的随机色彩。然而，人类是非常特别的一个物种—人类在进化过程中，不仅会随环境改变，还会根据自己的需求，反过来改变环境。不知道你有没有注意到：在我们住的房子中，打开水龙头，就会有水；打开电闸，就会有电。屋顶和天花板让我们免于危险和寒冬酷暑，热水器让我们能够一直享用热水。人类的生存法则和丛林迥然不同。看上去，人类好像并不太需要去适应这个残酷的环境，也不需要经历什么挑战就能使自己的基因得到延续。不仅如此，我们还发明了沙发、Wi-Fi和PSP游戏机。

不过，像这样的传统生物进化方式可能已经被人类的科技发明改变了。之前，生物进化依靠DNA的突变，这种突变往往需要成千上万年的时间，进化历程缓慢。而现在，随着科学技术的发展，在短短几十年内世界就会发生翻天覆地的变化（能想象吗，互联网不过也是近几十年的发明，更别说智能手机了）。这简直是超人的进步。

科学逸事：1959年，理查德·费曼[ 理查德·费曼：美籍犹太裔物理学家，1965年诺贝尔物理奖得主。]已经开始谈及纳米级工作了（1纳米等于1米的百万分之一）。在费曼之后，“纳米科学之父”埃里克·德雷克斯勒在80年代已经能够自主建造出由原子微粒构成的纳米机器了—更别说像电影《惊异大奇航》里的那种可以在人体内自由穿梭的微型飞行器了。现在，纳米技术已经被很多领域广泛应用：生物学、化学、物理学、材料学、工程学以及目前最为流行的信息学、传播学、微电子学、生物科技和医药学等。尤其是在免疫监控、人体组织修复、疾病控制、提升人体免疫防御系统、病情诊断、治疗和预防疾病、疼痛缓解、细胞药物管理等方面，纳米技术均得到深度的应用。现在，纳米级工作已经完全成为现实，我们还会在诊断医疗的最新技术上用到纳米微粒，如针对特定损坏器官的药物运输器—以便修复器官组织。这些药物，被封存在纳米装置中，其稳定性、溶解性和传播性得到了提升，能产生更好的疗效，并且剂量要求更小，因此药物带来的副作用也会更小，对人类的健康更有利。这些纳米技术在医学领域的应用加速了人类治愈癌症、神经退行性病变、自体免疫、心血管疾病等众多疾病的进程。现在，在纳米维度的研究中，还有更多奇妙的事情等待我们去探索、发现。

超人类主义者认为：科技进步让人类更长寿、更幸福，提高了人类的生活品质，发展出了更多的个人特长。超人类文化在“后人类主义”上发展得最为迅速，后人类主义认为这一切发展已经和人类自身没有太大的关系了。就比如，我们可以将记忆储存在一个u盘中，此时就好比我们将自己的一部分摆脱实体，如人工智能Siri、电影《她》中的男主人公爱上的那个无形女人。你能够想象出自己在某一天，不依靠自己的肉体存在，而是永远依靠社交媒体上的账号存在吗？有一个叫作“人类+”的组织（前身为世界超人类协会），由著名的超人类主义哲学家尼克·波斯特姆和大卫·皮尔斯创立，专门研究并证实超人类主义思想。

但是，超人类学并不是一个完美的科学。我们已经看到有人通过科技改善了身体缺陷的实例。一个叫聂尔·哈彬森的英国人曾患有色盲症（只能看到灰度色彩），一台设备让他的视觉脱离了大脑后半部的控制，变成像一根天线一样的设备通过振动控制其视觉感知，这样，他不仅能够看到正常的颜色，还能区分出人类的不可见光，如红外线、紫外线。哈彬森是机器人协会的创始者，这个协会致力于让人类变成机器人。

谈到半机器人，我们会想到电影《终结者》中的T-100或《银翼杀手》中的复制人，但其实半机器人是一种由有机元素和机械设备构成的生物体，这些机械设备可以用于提高体内各个器官的能力，通过技术修复某些器官的缺陷、扩展其使用极限。

知名生物黑客提姆·卡农已经在自己的皮肤下安装了集成电路和其他的电子设备。有人说，其实智能手机已经属于人类器官的一部分了，从某种程度上说，我们已经变成了半机器人，毕竟我们离开手机就无法存活。还有人认为：在几十年前，当人类带上眼镜时，我们就已经将外来设备接纳成为身体的一部分了，但是眼镜这类东西对我们来说太为常见，所以我们也没觉得有什么奇怪的地方。提姆认为在体内安装心脏起搏器也属于成为半机器人的一种情况：毕竟，离开这个设备身体就没办法正常运转。总而言之，在他看来，我们都是半机器人。

凡人亦英雄：谈到人类和机器人之间的关系发展历程，我们不得不说到一个人—来自英国的凯文·沃维克。1998年，他完成了著名的机器人1.0实验，在皮下安装了一个带有识别射频功能的集成电路板，通过这个设备发送信号，他得以控制门的开关、灯的开关以及家庭电子设备系统。2004年完成的第二个实验机器人2.0更有意义：他把集成电路板装进了自己的神经系统中—这样，他可以将自己的大脑和哥伦比亚大学的网络连接在一起，并且成功地远程移动了英国雷丁大学中的一个机器人手臂。最让人惊叹的是，沃维克坚信通过这种方式能够实现人和人之间的“心灵感应”，于是他在老婆的大脑中也装了一个微型电路板，构造出了世界上第一个纯粹依靠电流信息交流的人体互动系统。或许，在不久以后，我们也可以把手机和信用卡装在皮肤下，这样我们出门购物时就不会再丢三落四了。

另一个关键概念是“技术独特性”。这个概念由谷歌的战略工程师克兹韦尔提出，用来描述当下以指数级速度发展的科技。随着技术发展，在将来的某一时刻，人工智能一定会超过人类。对此，最为乐观的看法认为在本世纪中叶这一推断就会成为现实。正如之前章节中我们讨论过的，人类千辛万苦创造出来的机器很有可能会超越其发明者，甚至摧毁人类。因此，有很多声名显赫的科学家和战略家们，如史蒂芬·霍金和特斯拉的创始人埃隆·马斯克，都已经明确表示希望控制人工智能的发展速度。

有一些反对超人类主义及后人类主义的评论家认为：机器人的发展会减弱人本身的意义和重要性（人类自身的意义就还没有得到充分的展示），此外，那些所谓的可以用来改善身体器官的机器资源被有钱人掌控，这将导致贫富差距进一步拉大。这种看法在电影《极乐世界》中有所体现，电影里，有钱人纷纷逃亡到一个科技先进、资源齐全的卫星上，众多贫困人民被留在地球上，深陷于战争、贫困和资源匮乏的泥沼中。持有这种看法的人被称为“生物保护主义者”，并且大都带有理想主义的色彩。

科学逸事：确实存在一定实例违背了“技术独特性”这一说法。技术的指数级发展起源于1967年英特尔的创始人戈登·摩尔提出的摩尔定律。根据此定律（经验推导而成），当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18 ~ 24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18 ~ 24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。因此，我们会发现：短短几年内，同一台电脑的性能在提高的同时，价格也变得更低。技术的指数级发展让世界在短短几年内改变，你可以观察到，互联网的信息传播速度越来越快，智能手机、社交网络带来了信息爆炸，带来了大数据时代，也让现实和虚拟世界的界限越发模糊。

然而，戈登·摩尔本人也说过：这种指数级增长现象并不会永远持续下去。其中的一个原因就是处理器上的晶体管数量是有限的：晶体管的数量越多，单一晶体管的体积就越小，现在一个硅板上有上百万个晶体管，但是这些晶体管的体积几乎已经达到了极限—接近一个原子的体积。对微型体积的高度依赖会引发很多问题。首先，原子是世界上最小的物体（除组成原子的更小微粒之外），因为世界上的所有物质都由原子组成。另外，这些集成电路板会极易升温变热，并引发量子效应，影响电路板的效果。或许，未来会是量子计算机的时代，量子计算机可以利用亚原子的特殊属性来操作各种各样的应用，这是我们无法想象出来的场景。微软的创始人保罗·艾伦提出“技术发展应当刹车”，因为科学和技术的发展愈发交错复杂，人类的发展也将面临种种困难。例如：如何利用电子技术来仿造人脑就是目前为止科学界面临的最大的一个难题。

不论怎样，我们都知道：没有什么事情是简单的。

我把“未来，我们会变成半机器人吗？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@Diana Campos: 额，不会……光是想到站在门口保安室吹哨子的那些机器人，我就绝不会想要变成他们！

.20.一个沙子堆成的城堡能多高？

在我很小的时候，电视机只有两个频道，没有网络、网飞[ 网飞：美国在线影片租赁提供商。]、游戏机、电脑、手机，什么都没有。只有十几个一起在大街上玩耍的小伙伴，一堆小人书和一些原始的玩具，不是带电池的那种。所以，在很多无事可做的下午，尤其是寒冷的冬天，我们没法去户外玩耍时，我都默默地在家一个人堆纸牌屋玩：14、11、8、5、2……一层一层堆起来，这就是我跟算术学最初的联系，而我那时完全不知道何为“算术”。堆纸牌屋时，我一直想要突破极限，想要堆得很高很高，但是最终总是以纸牌屋坍塌或者没有纸牌继续堆下去而作罢。同样地，我在海滩上堆沙子城堡时，也面临同一个难题：每当堆砌到一定高度时，沙子城堡就慢慢地自行坍塌。

大象的体温下降过程会比其他的小型啮齿目动物慢得多，一个沙子堆成的城堡在到达一定高度后会逐渐坍塌，香槟酒的气泡以一定的加速度上升……好像这个世界上所有的事物都会有一定的极限。

看上去毫无共同点的行为之间却有着这么一个相同的属性，即都遵从“立方定律”。这个定律解释了体积的重要性，阐释了数字的二次方和三次方的变化规律和其体积的关联。

我们来看一组自然数：1、2、3、4、5……

我们再看这些数字的二次方：1、4、9、16、25……

再来，三次方：1、8、27、64、125……

通过这三组数字，我们可以看到，等差数字的增长速度没有它们的平方数增长得快，立方亦然。比如说，这三组数字中的第五个数：第一组是5，第二组是25，第三组已经是125了。也就是说，假设有一个球它的半径为1单位，那么如果我们把它的半径扩大5倍，其表面积就是原来的25倍，而它的体积会增长到原来的125倍。表面积和体积之间的这种关系是理解很多自然现象的基础。

为什么会出现这种现象呢？是因为几何原理。按照几何原理，一个物体的体积呈三次方增长，表面积呈平方级增长，即如果一个物体体积增长，那么它的体积增长的量会比表面积增长的量大得多。充气球就是个很典型的例子：气球里面空气的体积比气球的表面积增加得快得多。这个现象其实就是我们上文说的“立方定律”的体现，这个定律由物理学家伽利略在1638年提出。在日常生活中，这种现象普遍存在，物理学、工程学和生物学中也都广泛运用立方定律。

流行小知识：当我在《权力的游戏》里第一次看到保护七国不受异鬼侵犯的冰墙时，我为冰墙的宏伟所震撼：213米高的冰墙啊！要知道，长城也不过就约7米高而已。那么，建造出这么高的一面冰墙可能吗？在南极洲、格陵兰岛和加拿大，有很多从附近的冰川上脱落形成的浮冰架，一般厚度为30多米（第一批北极探险家们把这些冰架称作“冰障”）。某些体积特别庞大的冰架，如著名的“拉森冰架”，厚达200到700米。但即便如此，这座冰架离剧中那么高的冰墙的厚度也差得远了。所以，如果要建造和剧中一样高的一座冰墙，需要多厚的冰块，才能够支撑起这堵墙的重量呢？阿拉斯加·费尔班克斯大学的物理学家马丁·特拉夫提出了这个问题，他知道，冰有自行融化的自然特性，因此一块冰需要一块宽度为其高度40倍的一个基底作为支撑，在我们讨论的问题中，也就是需要一个8.5千米宽的基底。就算我们假设这样大的基底真的存在，这样的一座冰墙的坡度也会很小，很容易就能爬上去，要形成剧里的那种陡直的冰墙很困难。如果这个冰墙真的有这么大的基底，那些异鬼早就抵达临冬城了。

再举个例子，我们人类可不可以大幅度增加我们的体积，变成巨人呢？这个假设不太可能，因为我们的肌肉交叉力量不可能受得了这样的变化，不管肌肉有多少，都只能以平方级增长。我们的身体大小，一部分取决于身体的密度（由个体基因决定），另一部分取决于体积（呈立方级增长）。当我们体积增加时，我们的体重也会变大，那么我们就需要更多的力量来支撑自己的体重。结果就是：巨人最后会自行瓦解，他的骨头会因为无法承受他的自重而断裂。同理，如果我们把一个蚂蚁的体积变大，我们会发现这只蚂蚁的脚的表面积增长幅度不足以撑起其体重。电影里的哥斯拉最后也会因为自重过大，身体无法承受而自行瓦解。这和我们在沙滩上堆砌的沙子城堡最终自行坍塌是一个道理。但是，海洋哺乳动物，如鲸鱼，体积之所以能这么大是因为水压会抵消一部分自重。相反，由于立方定律，微型昆虫，如蚂蚁，可以承受比它自身重很多倍的物体，还有跳蚤，可以跳得很高，就是因为它们的力量相对于它们那小得可怜的体积和自重而言，实在是太大了。

科学逸事：漫威电影里的生化科学家、量子物理学家、机器人、人工智能专家以及昆虫学家汉克·皮姆（漫威里的超级英雄都是科学家），做到了在变小和变大之间随意切换。事实是，虽然他从来都不是我最喜欢的超级英雄（可我喜欢蚂蚁），但我猜测：如果能像蚁人一样缩小自己的身体，你就可以和蚂蚁交流，拥有超级力量（轻而易举撑起比你自己重50倍的物体），还有你的女朋友会是珍妮特·凡·戴因（美国漫威漫画旗下超级英雄黄蜂女），这样也挺不错的。而当你变成巨人的时候，虽然前文里我们已经分析过，这是不可能的，因为你的肌肉和骨骼在体积呈立方级增长的时候会崩坏。但是，我们可以发挥想象力，毕竟漫威世界里的物理规律和现实世界的物理规律是不同的。对我们来说，这是一件好事。

立方定律的生物学内涵体现在动物的体积和其能量需求上。例如：一头大象通过体表和外界交换热量，但是它的表面积和体积之比并不算大，大象的热交换速度比较慢，其体温下降得不如小型啮齿目动物快。所以，大象不需要频繁进食来补充自身能量，因为其体表面积和体积的比例远远小于一只老鼠，虽然听上去不太符合现实。老鼠通过自己的皮肤向外界快速地散发热量，所以需要更多的食物来不断补充能量，维持身体的正常运转。因此，海洋哺乳动物（如鲸鱼）的体积都很庞大。如果他们体积很小，他们通过皮肤散发的能量太多，就难以在充满水的环境之中存活下来。

另外，我们可以观察香槟气泡里的立方定律：你会发现香槟气泡在玻璃瓶里不断加速上升。气泡上升时的浮力大小由气泡的体积决定，也就是由气泡截面的半径决定，而气泡在上升时体积会变大。在浮到表面之前，二氧化碳含量越来越多，导致气泡体积增加。这样气泡的上升速度会不断加快，因为随着气泡体积的增加，其受到的浮力也增加。同时，气泡上升受到的阻力也会增加，因为阻力大小和气泡的表面积有关。但是，表面积是呈平方级增加，而体积是呈立方级增加。所以，气泡受到的阻力增加幅度远远不及其受到的浮力增加幅度。最后，就会出现大家熟悉的场景：气泡上升得越来越快、气泡越来越大，最后嘣的一声，冲破瓶口，消散在空气里。

最后，我的朋友哈维尔·桑他纳亚，物理学家、工程师兼YouTube科普视频制作人想要给各位一个真诚的建议：去超市买土豆的时候，一定要买最大的。为什么呢？考虑到土豆的体积和表面积的比例关系，如果我们选了那些最大的，我们削皮的单位时间会变少，而最后做出来的土豆饼却会是最大的。

我把“一个沙子堆成的城堡能多高？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@Ramon2202Del：这高度取决于你要建哪种城堡—是圆台那样的呢，还是圣家族大教堂那样的？

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@Heichou_bicho: 沙子城堡的高度取决于两点：一是你多认真地在堆，二是旁边的熊孩子多认真地在搞破坏。

.21.怎么划分银河里的各种文明？

在前面的章节中，我们已经介绍过了德雷克公式，它能够帮助我们预估银河系中可能存在的发达文明的数量。接下来，我们要进一步探究如何对这些文明进行划分。

事实上，早在1964年，苏联天体物理学家尼古拉·卡尔达肖夫就已经指出：文明的层次可以通过它所能利用的能量来衡量，这种指标也被称为“卡尔达肖夫指数”。卡尔达肖夫将所有文明划分为以下三个量级：

I型：这种文明能够利用其所在行星上所有可用的能量。

II型：这种文明能够利用其所在行星系中所有可用的能量。

III型：这种文明能够利用其所在星系中的所有可用的能量。

想象力对于科学家来说尤为重要，而卡尔达肖夫先生恰好是这样一位想象力丰富的人。由于我们尚未能够利用地球所提供的全部资源，浅薄的人类文明至今远没能达到I型（2017年时地球文明才达到0.72级，也就是说我们现在依旧处于0型文明）。此外，II 型和III型文明需要离开它们所在的星球，并且完成对周围空间的殖民，而我们显然尚未做到这一点。不过，为什么卡尔达肖夫在进行层次划分时，只关注文明所消耗的能量，而不关注其他因素呢？这是因为对能源的支配能够展现一个文明的科技水平。

据推测，人类文明会在一到两个世纪内达到I型，几千年后达到II 型状态，并在10万到100万年间达到III型状态。然而，正如我们在德雷克公式的例子中所看到的，发达文明也可能还没来得及经历如此漫长的时间跨度，便已经自我毁灭。

每类文明的能量来源各是什么呢？我们应该很熟悉I型文明的能量来源—我们目前已知的有可再生能源、化石燃料（当然，它们总有一天会消耗殆尽），以及尚未被成功开发的能源，如核聚变能源，因为核聚变反应应当将原子干净地融合起来，而目前核电站所能做的只是裂变原子。

流行小知识：尽管对于沃卓斯基姐妹而言，《黑客帝国》才是她们创作生涯中的最佳影片，但《木星上行》的剧本设定确实新颖而令人不安：在宇宙中，一个强大的外星家族需要一种血清，使他们达到“完美的达尔文主义状态”，从而长生不老，人类和其他行星上的生命恰恰是生产血清所需要的原料。

如果你们感兴趣的话，顺便说一下，这部电影的许多场景都取自西班牙毕尔巴鄂市的古根海姆博物馆附近。

II型文明可以采用地球上已经使用的方法（不过是应用于太阳系的其他行星上），也能够发展新的方法，获取我们已经想象到的以及无法想象到的各种能量。最引人注目的方法便是戴森球—因纪念于1960年提出该概念的科学家弗里曼·戴森而得名。

戴森球实际上是一个包裹着恒星并捕获其释放的所有能量的大型球体。例如：使用戴森球，我们可以捕获太阳向各个方向发射的所有能量，而不仅仅是我们在地球上接收到的一小部分—尽管，正如你所能想象的，建造像戴森球这样庞大的结构并不容易。它确实出现在一些科幻小说、电子游戏和漫威的漫画中。

可以确定的是，戴森球并不是一个实心球体，它承受不了巨大的压力。比如说，戴森球可能是一群尽可能收集辐射的卫星，而它最简单的形式便是戴森环，类似土星环，不过是由能量收集卫星形成。

当戴森提出他的球体概念后，他鼓励天文学家寻找戴森球向宇宙发出的辐射，以寻找可能存在的外星先进文明。当然，带有戴森球的恒星并不会被直接检测到，但由于其温度，球体会发出红外线。

科学逸事：自2015年以来，科学家们一直在试图解释Tabby行星（或称KIC 8462852行星）所经历的奇特变化。这颗行星位于银河系天鹅座和天琴座之间。尽管科学家目前正在寻找其他解释，但存在这样一种可能—尽管这种可能性很低—这颗行星周围或许存在着戴森球。因此，人们也称它为“宇宙中最神秘的恒星”。多迷人啊！

最后，从整个星系中获取能量的III型文明，类似于科幻小说中出现的银河帝国，如《星球大战》中的银河帝国，或《星际迷航》中的博格文明。这种文明能够使用什么能源呢？这种文明已经先进到能够利用宇宙中能量最大的物体，如超大质量黑洞、白洞（类星体）或伽马射线暴。

物理学家、科普家加来道雄认为：III型文明甚至能够打开虫洞或通往其他宇宙的大门，从我们的星球中，也可能观测到另一星系的III型文明的存在。因此，一些研究小组对它们进行了跟踪，但没有成功—显然，它们并不存在于我们星系的“附近”。类星体是一种现象，当位于星系中心的一个“巨大黑洞”开始吸收其附近的所有物质时，就会产生类星体，但我们至今仍不知道原因是什么。当这一切发生的时候，由于吸积盘的高速旋转，类星体会产生巨大的能量，并以无线电波、光、红外线、紫外线和X射线等形式释放出来，使得类星体成为目前已知的宇宙中最耀眼的天体。

科学逸事：虫洞也被称为“爱因斯坦-罗森桥”。我从未见过虫洞，它的存在也未曾被证明过，但爱因斯坦和罗森都相信宇宙中存在连接两个遥远时空的点甚至两个平行宇宙的隧道，能够使人从一处瞬移至另一处。这就比方说一条蠕虫没有选择从苹果表面爬到另一端，而是直接穿过内核到达了另一端。因此，“虫洞”这个名字用来描述多维空间中可能存在的隧道—由时间和重力的扭曲产生的维度。不管虫洞是否存在，这种假设都给科幻小说带来了很多乐趣，我敢说，《星际迷航》的粉丝们肯定会为它的存在振奋不已。

加来道雄称最微妙的时刻便是当下—人类正在从0型文明走向I型文明的当下，因为我们装备了极其危险的生化武器和核武器，同时有着某种野蛮又狂热、激情而又偏执的心态。加来道雄还将恐怖主义定义为对I型文明的反抗。幸运的是，他也承认行星文明往往是包容、合作、先进的。也许这样的说法乐观了点，但我们或许正朝着这样的设想迈进，互联网、欧盟、全球流行音乐或英语作为一种全球性语言都是例证。根据加来道雄的说法，一旦我们的文明达到I型时，我们就会是坚不可摧的了。我很欣慰地看到人类现在已经开始关心我们的地球，学习倾听、宽容与和平相处。

.22.无铅汽油和地球的年龄有何关系？

长期以来，汽车燃料所使用的无铅汽油与其他燃料相比，对我们的健康和环境更友善，而这要感谢克莱尔·C.帕特森，是他促进了这一改进的实现。这位科学家最早测定了地球的确切年龄—这一数字远超出《圣经》或其他预言。此外，他还卷入到了一场同石油公司之间的斗争。

1922年，帕特森出生于美国爱荷华州，致力于地球化学领域的科学研究。他试图测量火成岩中的铅同位素，从而确定地球的年龄。根据核物理的知识，地球上的放射性元素正在缓慢地转化为其他元素，产生自然放射现象，直到它们变成非放射性元素（如铅），以后便不会再分解，而是以某种方式重新出现在放射性衰变链的顶端。

铀是元素周期表中最重的放射性元素，并能转化为铅。知道铀衰变率，以及每块岩石中铀和铅的数量，就有可能计算出这些岩石被创造的时间，或者说地球的年龄。这就是帕特森的测量方法。最终，他发现地球约有45亿年的历史。

科学逸事：17世纪，爱尔兰大主教詹姆斯·乌雪曾经根据《圣经》中的人物，推算出地球诞生于公元前4004年10月23日。尽管这一计算甚至将日期精确到了星期日，但它事实上错得很离谱，因为地球并非只有4000多年历史，而是足足有45亿年之久。

让我们继续讲回帕特森的故事。在这位地球化学家的研究过程中，他还发现了另一个令人担忧的事实，即如今的自然环境中铅含量极其之高，尤其是同过去相比。通过测量海底岩石或来自格陵兰和南极的冰核（这些样品能够显示其他遥远年代的铅含量的水平），帕特森发现，到目前为止，铅的含量已经增加了上百倍。事实上，这也是他们研究中的一个难题，因为他们的实验需要隔绝外界环境中铅元素的污染，以避免受到干扰，从而得出没有误差的结果。

为什么环境中铅的含量会如此之高呢？导致铅含量超标的部分原因是汽油中加入了能够减少爆震的四乙基铅，并在燃烧后通过排气管排放到环境中。从这时候起，帕特森开始同强大的石油公司进行斗争。帕特森将自己的发现刊登在1965年发表的《受人类污染的自然环境》一文中，指出了铅对自然环境和食物链的负面影响。

作为一种有毒金属，铅能够储存在人类的大脑、肝脏、肾脏、骨骼和牙齿中。这对于儿童来说更加危险，因为它能损害大脑的发育，并且导致贫血、高血压、肾功能障碍、免疫缺陷和生殖缺陷。

铅的有些影响是不可逆的，甚至是致命的。一些负责处理铅的工人发疯也并不是少见的情况。甚至包括杰罗姆·里古[ 杰罗姆·里古：加拿大国家水研究所研究员、教授。]在内的一些人认为：正是铅导致了罗马帝国的衰落。罗马帝国大量使用铅制品，比如贵族们都用铅做的酒杯喝酒，这就是为什么痛风在那时是一种很常见的疾病。根据这位研究者的说法，铅对罗马贵族的神经功能的影响可能是导致帝国灭亡的关键。

在与石油公司的抗战中，帕特森的科研资格被取消，与此同时，他理应享有的科学声望也被污名化。他的研究不再受到资助（这些资助过去往往来自石油行业），帕萨迪纳市著名的加州理工学院科研中心也被施压，被迫放弃了帕特森的科研项目。正如烟草行业面对气候变化或消除负面影响时所经常做的那样，石油行业毫无道德地雇佣科学家—如罗伯特·凯赫—进行数据造假，从而反驳帕特森的观点。这些违心的科学家宣称铅的浓度对公众健康没有任何威胁。幸好，帕特森从未动摇。1973年，美国环境保护局终于重视了他的观点，《洁净空气法》获准通过，从那时起，石油公司不得不停止销售一切含铅汽油。帕特森获得了奖励，并于1978年进入了美国国家科学院。

科学逸事：来自哈佛大学威斯生物工程研究所的科学团队设计了一种人造树叶，能够通过一种特定的细菌，利用阳光将水分解为氢气和氧气，并将一氧化碳转化为液体燃料异丙醇。自然界中植物的光合作用率只有1%，而人造树叶有望将这一数字提升到5%。它的系统简单易用，可以在任何地方复制。此外，它使用的催化剂也便宜易得。

汽油中铅的逐渐消除使人体血液中铅的含量大幅度下降。目前，科学界也达成了共识，即无论铅的浓度大小，它都是有毒的。简而言之，这一科学进步来源于一项本来有着其他目的的研究—而我们每个人都从中受益。公民的健康比商业利益更重要，这一切都要感谢帕特森。他是一位没有披风的英雄，是社会责任和科学严谨的典范。尼尔·德格拉斯·泰森主持的科教节目《宇宙大探索》，以及比尔·布莱森所著的《万物简史》都对他表示了赞赏。1995年，他死于哮喘发作。如今，有一颗小行星还是以他的名字命名呢。

.23.为什么月球抛弃了我们？

月亮女神塞勒涅陪伴我们度过了无数个夜晚，哦，虽然有时她也会和我们玩玩捉迷藏。月亮一直是诗人魂牵梦萦的对象，相关作品里有来自灵魂的唱诵，更有浪漫的奏鸣曲。不过，也有人指责月亮会让人变得疯疯癫癫，又或者像传说所记载的那样，让狼人显现原形。迈克尔·杰克逊的音乐短片《颤栗》中也有狼人变身的画面，至少在当时，这个MV相当恐怖。据说龙居住在月亮上，也有人说它代表着经典的女神形象，如前面提到过的塞勒涅，当她的哥哥太阳神赫利俄斯结束一天的使命时，她便开始了自己的夜间之旅。

让我们暂时忘记这些关于月亮的幻想，回归到现实中来。关于月亮及与其相关的巨大巧合，科学界也有着许多惊奇发现。正如诺贝尔物理学奖得主、诗人理查德·费曼所说，科学并不会掠夺世界上的美，相反，它会为这份美丽做出贡献。

对月球岩石的研究结果表明，月球形成于约45亿年前，是一颗名为忒伊亚的行星同地球之间的一次巨大碰撞形成的产物。这就是所谓的“大碰撞假说”，也是被普遍认可的科学理论。在希腊神话中，忒伊亚正是塞勒涅的母亲。不过，忒伊亚究竟是什么呢？它是一颗曾经位于地-日拉格朗日点（也就是太阳和地球的重力场相互抵消的点）的行星，差不多跟火星一样大，但在引力的作用下，它最终偏离了轨道，并以40000千米/小时的速度同地球相撞。这次撞击彻底融化了我们的星球，也摧毁了本应永远陪伴地球的忒伊亚。在撞击中，部分熔融物质和陆地地幔被抛向太空，随后重新结合，形成了卫星—月球。

这一假说的科学依据正是在阿波罗任务中收集的月球岩石，科学家发现月球物质有着同地球物质十分相似的同位素成分。撞击后，地球上的一天只有五小时长，而月球离我们的距离只有2万千米，几乎比现在近了20倍。想象一下海洋形成后所产生的潮汐，或者是满月之夜侵入地球的光。尽管如此，这一理论仍然存在一些待解决的问题。其他假说认为地球和月球是一起形成的，或者月球是形成后被地球的引力场捕获的，但这两种可能性都不大。

碰撞后的每一天，月亮和我们之间的距离都在拉大，现在，它已经离我们有393500千米了！这并不是因为它的存在会对我们有任何不利之处（当然了，可能确实有），而是因为地球表面与海洋的渐进摩擦使得地球的旋转速度逐渐放缓。正如在牛顿的第三定律中，每一个作用力都有一个相等的反作用力，地球和月球在引力作用下“拥抱”在一起，当地球变慢时，月球便会加速。当轨道上的物体加速时，加速度便会将它向外推去—你可以试着坐在旋转木马的外边缘，这样就应该会有深刻体会。这就是月亮渐渐远离我们的原因，但它永远不会彻底逃离我们，当地球与月球以相同的速度自转时，将达到一种平衡，此后，引力会将月球慢慢拉回来，让它永远陪伴在我们身边。哦，如果这种情况没有成立的话，那我们也最好保持冷静，因为在此之前，太阳可能已经变成了一颗红巨星，把地球和月球一并吞噬了。

凡人亦英雄：牛津大学和哈佛大学的一项研究表明：小行星或伽马射线爆炸是否会摧毁地球并不重要，重要的是人类会灭绝，而缓步类动物并不会，只有太阳的死亡才能彻底灭绝它们。这类生物俗称“水熊”，而水熊虫便是水熊中一种微小的多细胞生物，它只有0.5毫米大小，却是地球上最顽强的生命形式。如果你有耐心，也有显微镜在手，那么你可以在苔藓或蕨类植物覆盖的水面，或者海洋和河流中发现它的足迹。哈，如果你是位生物老师的话，你现在已经有了一个和学生们一起去野外的绝佳借口了！令人难以置信的是，它可以30年不吃不喝，能在绝对零度至150摄氏度的最极端的气候条件里存活，能承受6000倍的大气压，甚至还能修复自己的DNA，减少自身含水量，以便生活在真空中。此外，它产生的一种蛋白质还能与人类的DNA结合，从而抑制40%的X射线对细胞DNA所造成的损伤。我们的水熊可真是超级英雄啊！【fen享V信 book er113】

不论怎样，月亮每天晚上都在空中陪伴着我们。这颗天然卫星的直径约3500千米，是太阳系中体积第五大的卫星。月球的半径只有地球的四分之一—就好比篮球和网球间悬殊的个头—质量则是地球的81倍。月球最奇特的特征之一便是它自转一周的时间几乎与绕地球公转一周的时间相同。这样一来，从地球上，我们只能看到月球的同一面，而它的背面却总是藏起来，保持着神秘。

此外，除了地球本身外，月球是人类至今到过的唯一的天体。1969年，在肯尼迪总统的批准下，阿波罗11号宇宙飞船成功在月球着陆，宇航员尼尔·阿姆斯特朗说出了那句名言：“这是我个人的一小步，却是全人类的一大步。”月球上的重力较弱，所以一个体重90公斤的人在月球上的体重只有16公斤左右。当然了，月球并不是真的帮你减肥，你的质量还是和原来一样，只不过受到重力的吸引更小而已。顺便提一下，首先听到宇航员声音的并不是美国，而是美国国家航空航天局（NASA）位于马德里自治区罗夫莱多德查韦拉的地面测控站。

在登月任务中，宇航员们收集了数据和岩石，还在月球表面安装了一些反光镜（这也能证明人类曾经到过这块地方)。现在，这些镜子被用来反射来自地球的激光，并且通过测量激光的往返时间来精准地计算月球在每一刻与地球的距离。他们的发现令人惊讶，月球正在以每年3.8厘米的速度离我们远去。

科学逸事：早在激光出现之前，希腊人喜帕恰斯（前190—前120）就已经根据地球半径的数据测出了地月距离—地球半径是一百年前埃拉托斯梯尼用一根棍子计算出来的。在计算中，喜帕恰斯利用了月食中地球在月球上的影子，计算结果只有10％的误差。

月球上没有大气层，所以光无法通过漫反射让天空呈现出蓝色。在这里，天空是黑色的，而太阳是白色的。在月球上，从白天到晚上根本没有黄昏或任何类似的过渡，一切都以一种极为戏剧性的方式发生，就像一条无情的线，把白昼与黑夜分隔。大气的缺乏也使得月球有着无数肉眼可见的陨石坑。在地球上，向地面陨落的天体在进入大气层时会燃烧，而在月球上，它们会直接坠落，同月球表面发生大规模碰撞。目前，记录到的最大的一座陨石坑形成于2013年的一次撞击，那时，一块40公斤重的岩石以90000千米/小时的惊人速度坠落，这次撞击相当于5吨三硝基甲苯（TNT）炸药同时爆炸。

月相的变化周期为27天，是由于太阳—地球—月球系统的相对位置而产生的。尽管月亮会影响我们的生活，但千万不可以拿它来预测星座—当然了，星座可以在交谈中打破尴尬的僵局，但缺乏科学依据。潮汐才是地球上的海域受到月球和太阳的万有引力而产生的现象。

不过，月球最惊人的特性也许是它带来的日食景象。当日食发生时，月球与太阳的身影几乎完全重合。这并不符合实际情况，但由于距离合适（大约30个地球直径），在月球走到太阳和地球中间时，月球的大小正好和太阳看起来一样。如果月球看起来更大，就会完全遮住太阳，如果它再小一点，看起来就像太阳中有一个黑色的圆圈。它们非常契合，这也使得太阳的最外层—日冕—能够被清晰地识别出来。说起来，这真的是宇宙中的一个巧合。

我把“如果没有月亮的话会发生什么？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@_orgalorg_ illo: 大海肯定会受到影响。

@alemm5: whatsapp:那就不会有月亮的图标。

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@Nacho Triana Toribio: 公牛也许就不会恋爱了。

@Juan Sebastián Sánchez Contreras: 我们再也看不到狼人了。

.24.镜子是什么颜色的？

我是一个会对镜子感到害怕的人；

面对着无法穿透的玻璃，

里面有一个不存在的无法居住的空间

反映着，结束了又开始；

……

上帝创造夜间的时光，

用梦和镜子把它武装，

为了让人心里明白，自己不过是个反影，

是个虚无。因此，它才那么使人害怕。

—路易斯·豪尔赫·博尔赫斯《镜子》

人们对镜子着迷的原因有很多。在很久以前，当镜子不存在的时候，没有人知道自己的脸是什么样子的，除了在水面上流动、转瞬即逝的倒影。你能想象出不知道自己长什么样吗？我敢肯定，那些臭美的人肯定受不了。很快，在伊特鲁里亚、古埃及或古希腊等文明中，人们已经开始对银、青铜和铜等金属进行打磨抛光来制成镜子。此外，这些物体还有一个奇怪的特性，那就是在我们所处的三维空间中开辟出一个新的空间，似乎它们是一扇门，能让我们进入一个同现实完全相同的世界，也就是所谓的“镜面”。另外，镜子也能让空间显得更为宽敞，这种特性使它在小房子的时代非常有用。镜子的性质使它经常被认为具有神奇的特性。例如：吸血鬼看不到镜子里的自己，濒死者的灵魂能被困在镜子的另一面。在白雪公主的故事中，邪恶的巫婆每时每刻都在要求魔镜告诉自己谁才是王国中最美丽的人，当她听到白雪公主的美貌在自己之上时，勃然大怒。还有人说，破碎的镜子会给人带来七年之久的厄运，但是你得知道，这纯粹是迷信，没有任何科学依据。当然了，最好还是不要把镜子摔碎，毕竟有可能会割伤自己。

这个让人类有诸多思考的物体究竟是什么？镜子有着光滑的表面，并且能按照光学定律来反射光线。大多数物体都能够反射光线，因此我们才能够看到它们，而它们在我们眼中的颜色也取决于这种反射—当然了，所谓的“黑体”是个例外，因为它能够吸收所有光线，不会有任何反射。举个例子，绿色的苹果会吸收除绿色外所有颜色的可见光，而绿色光线则会通过反射到达我们的眼睛，让我们的大脑认为苹果的颜色是绿色。因此，我们总是说，物体是（或者包含）所有的颜色—除了我们能看到的，因为这是它唯一反射的颜色。然而，当我们看向很多物体，如苹果、窗帘甚至木板时，不会产生照镜子时的感觉，也不会觉得我们自己反映在了这些物体中。这是为什么呢？

当光线照射在苹果等普通物体时，会无规则地反射向四周，也就是所谓的“漫反射”。这是由于这些物体的表面并不规则，光线无法有序地反射，只能向不同的方向弥漫射出。相反，镜子的表面已经打磨光滑，十分规则，因此能够使反射光线以和入射角相同的角度有序地射出（这一入射反射定律也被称为“斯涅尔定律”），因此会形成我们面前物体的镜像画面。镜子越光滑，它反射出的图像就越真实。另外，平面镜能够如实呈现出物体的比例，而我们在游乐场中见到的曲面镜、凹面镜或凸面镜等则会产生扭曲的图像，让我们看起来被拉长或者压扁了。这很有趣，但同时也很可怖：一面放置在马德里加多小巷的扭曲镜面为作家拉蒙·玛丽亚·德尔巴列-因克兰带来了灵感，从而使他创造出著名的文学体裁—怪诞文学。“怪诞”往往以扭曲夸张的方式批判现实，正如曲面镜所反映出来的现实一样。如今，镜子通常是一层薄铝或薄银再覆盖上一块透明玻璃（成分通常为硅、钠和钙）组成的。

科学逸事：在智利的北部，阿塔卡马沙漠的中心，确切地说，在海拔3000米的阿马索内斯山脉的顶部，正在建造有史以来最大的宇宙望远镜—欧洲极大望远镜。其主镜直径为39.3米，由798个六角形小镜片拼接而成，并由若干五边形镜支撑。包裹在望远镜之外的圆顶直径长达85米，足有一个足球场那么宽。一旦建成，它将成为地球上最大的可见光观测设施。欧洲极大望远镜所观测到的图像质量极为卓越，在观测波长相同的情况下，甚至比哈勃空间望远镜[ 哈勃空间望远镜：由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作共同管理。]要清晰十五倍。这项浩大工程的初始预算达到了惊人的10亿欧元，不过，如果它真的能帮助我们发现新的星系或者其他无穷尽的宇宙奥秘，那这样的投资也很值得了。

那么，镜子是什么颜色的呢？由于镜背的镀层颜色，镜子一般会呈现出银色。然而，镜子其实呈现的是它所折射的物体的颜色。如果把镜子放在一面黄色的墙前，它就会是黄色的；如果把镜子照向天空，它将是蓝色的；如果把镜子正对着我们的脸，那它就是我们面孔的颜色。白色物体的特征在于它们会反射所有的颜色—虽然是以漫反射的方式。这就是为什么天文学家菲尔·普莱特将镜子描述为“智能的白色”，也就是说，它们能像白色一样反射一切光线来产生图像，但却是以有序和非漫反射的方式。

无论如何，我们得承认，镜子并不完美，它们总是吸收它们接收到的小部分光，然后反射其余的光。我们的眼睛往往不太注意这个微妙的现象，但是科学家已经研究了镜子所反射的电磁波谱，并发现了上述吸收现象。他们还发现了一些奇怪的东西：由于镜子通常由玻璃和金属组成，因此，波长510纳米左右的光线最容易被镜子反射，而人类的大脑会将这类波长感知为绿色。因此，我们或许可以说，镜子有一种轻微的绿色色调。

当我们把两面镜子面对面放置时，这中间会产生一种能够无限反射的奇怪隧道，因此有人说，两面镜子之间的便是无限。当你处于两面平面镜中间时，请注意观察，镜子隧道越往深处绿色也越明显，这是因为镜子不断地吸收非绿色光线，最后便使得绿色越发明显。

我把“镜子是什么颜色的？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@edumartin237: 透明的。

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@Nacho Triana Toribio: 我的镜子明明是黑色的，但不知道怎么回事，每次我照镜子时都能看到越来越多的白头发……

.25.儒勒·凡尔纳是预言家吗？

预测未来的最佳方法是创造未来。

— 美国计算机科学家  艾伦·凯

小时候，当我不需要做作业时，除了搭纸牌城堡，玩那种没有电池的玩具，以及和伙伴们在街上打闹（当然，他们也没有电池），我几乎总是在读书。这对现在的我来说几乎不可能，因为我们有着社交网络、智能手机、平板电脑、YouTube，以及社交软件上总让我十分紧张的群聊和数十个电视频道—这些都让我很难专心阅读。

物理学家阿尔方斯·科尔内利亚用“信息中毒”来描述，在快节奏的现代化社会中人们难以集中注意力，总是处于一心多用的状态。为了完成繁忙的工作，并在当代的喧嚣中生存下来，我们这种分散式的新思维模式可能是有用的。但是，对于其他更放松的任务，如果没有那么多连续不断的刺激，如阅读小说，或者你现在正在看的这本书，这种新的思维方式就不太管用了。你有多少次丢下自己手头的工作去玩手机？或许这就是现在充实精神和其他放松、冥想疗法会大行其道的原因吧。但我这一代小时候没有受到信息过载的荼毒，所以我在年幼时一遍又一遍地读了很多书（当然是小说居多）：《金银岛》《三个火枪手》《基度山伯爵》《宾虚》《白牙》以及儒勒·凡尔纳的所有著作……

以上这一百多本奇幻小说、冒险小说或者科幻小说（当然，我没有全部读完），在大多数情况下，主角都是科学家或者不安分的人。简而言之，这些书满足了我对知识和科学的好奇心。谁能想到，凡尔纳，这位历史上被翻译作品数第二多的名家，是促使我最终成为一名工程师的原因呢。

除了他强大的叙事和虚构能力，真正令我着迷的是他对未来的预测—有时，他甚至能预测出几十年后才会有的科学进步。我最喜欢的是《地心游记》《海底两万里》。后者写于1870年，并于1954年被迪士尼制作成电影，由理查德·弗莱彻导演，柯克·道格拉斯参演。《海底两万里》讲述了著名的尼摩船长在他的潜水艇鹦鹉螺号上的冒险故事。在这个故事中，生物学家皮埃尔·阿龙纳斯被尼摩船长救了出来，尼摩不让阿龙纳斯把他那巨大、秘密的海底交通工具告诉世界。之后，小说描绘了各种水下景观，还对许多海洋动物做了细致的刻画，其中最引人注目的就是那只巨大的乌贼，它的大触手把鹦鹉螺号困住了。

第一艘电能驱动的潜水艇是由西班牙人艾萨克·佩拉尔于1888年发明的。众所周知，佩拉尔对凡尔纳的作品非常着迷，这也激发了他的创造力和想象力。佩拉尔的潜艇如今在他的家乡卡塔赫纳的海军博物馆内展出。凡尔纳还在这本书中描述了他对水下摄影和能够对人产生强烈电击效果的武器的设想。前者在二十年后，被水下摄影先驱路易斯·布唐变为了现实，而后者则类似于如今防身常用的泰瑟枪。凡尔纳的想象力并不仅仅局限于水下，在他的作品中，他还预言了直升机，正如1886年创作的《征服者罗伯》中描述的那样，信天翁号飞船能够靠螺旋桨的推动实现飞行。

这位法国小说家的其他重要作品包括《从地球到月球》《绕月飞行》。显然，这些小说描绘了人类登上我们的卫星—月球的故事。作品的独特之处在于：它们创作于阿波罗11号第一次登月和尼尔·阿姆斯特朗1969年踏上月球表面的一个世纪以前。在凡尔纳的小说和未来的现实间存在着惊人的相似之处：飞船都是从美国佛罗里达起飞，并且在太平洋的某处降落。凡尔纳飞船的一些参数，如墙壁的厚度或价格，与阿波罗号的特性非常相似。凡尔纳的飞船耗时83小时，而美国宇航局的飞船花了97小时。同样，两艘飞船上都有三名宇航员。很难想象凡尔纳对于月球之旅的某些描述竟然能够如此精确，正因为如此，他才格外伟大。顺便提一下，凡尔纳关于月球的作品也被认为是历史上第一部科幻电影《月球旅行记》的灵感来源，该片由乔治·梅里爱编导。

然而，最不可思议的是凡尔纳在很久以前就预言过互联网这项改变人类历史的伟大发明。在这本创作于1863年的《二十世纪的巴黎》（1994年首次在法国出版，而那时我已经不再是孩子了）中，凡尔纳畅想了一百年后被科学和金融主导的法国社会—有摩天大楼和高速列车，不再教授拉丁语和希腊语，不再有人关注人文社科和文学知识，也没有人记得伟大的作家……有趣的是，作者在这里已经设想了一个全球通信网络，也就是现在的互联网，只是这个网络不是电子性质的，而是一种全球电报。直到一个世纪后，才真正出现类似的发明，也就是我们如今熟知的互联网。凡尔纳的文字预见到了很多进步，包括各种各样的发明，如视频会议、新闻广播、太阳帆船或写在天空中的广告信息，这样的预言能力甚至让人觉得恐惧。

很多时候，创造力、想象力同艺术相关，而科学则被归入最冰冷的技术和机械的层面。这并不完全正确。许多伟大的科学家，如爱因斯坦、特斯拉、费曼等，总是需要伟大的想象力和创造力来推动他们完成革命性的发现。凡尔纳不是一位科学家，而是一位小说家，但他的想象力构造出了未来所拥有的许多奇迹。如果他是一名科学家的话，说不定已经改变了世界……所以，我建议你把你的手机扔到别的房间，去读读凡尔纳、阿西莫夫、赫胥黎、菲利普·K.迪克或者威尔斯等科幻小说家的作品，这些书至今仍然启发着许多科学家，它们将允许你畅游在未知的世界（我没有说互联网），而有一天我们可能会达到。嘿，我自己现在已经开始这么做了。

.26.把一个足球送上太空要花多少钱？

这里是汤姆指挥官 呼叫地面指挥

我正飘浮在船舱周围

远在月球之上

地球这般蔚蓝 自由自在

—《太空怪谈》

也许你曾经听过很多人抱怨，既然我们有其他更为紧迫的问题要解决，为什么人类还要在太空探索或粒子加速器上花费如此多的金钱？为什么我们不能让科学变得更实用呢？为什么我们要去火星，要发射探索太阳系的太空探测器，收集冥王星的数据并拍摄高分辨率照片？这些信息显然对我们在地球上的生活没有帮助。可以肯定的是，这是一个必须解决的矛盾点，即如何平衡基础科学与应用科学。追根究底，这并不是做选择题那么简单。

因为基础科学与应用科学的界限并不总是非常清晰。有观点认为：倘若没有基础科学，那么就没有了应用科学。举个例子，爱因斯坦、普朗克、波尔、薛定谔或海森堡等量子力学的奠基人靠着对知识的纯洁的爱、对科学的好奇心，研究了现实中最不为人知的细节。多亏了量子力学，半导体物理学才得以发展起来。晶体管就是从半导体发展起来的，先是制造出了计算机，后来又制造出了智能手机……科学的道路，如生活的道路，是不可预测的。唯一清楚的是，如果无所事事，你将一事无成。谁可以告诉那些20世纪早期的科学家们，他们的研究最终会引发如此大规模的科学革命呢？请设想一下你要向爱因斯坦解释社交媒体“脸书”是什么……

近年来，“衍生”这个术语十分流行。例如：在电视剧中，当某个角色拥有了超高的人气和个人魅力时，制作方就会专门为这个角色打造新系列的作品，如《绝命毒师》中的律师索尔·古德曼，又或者西班牙喜剧《七种人生》中的阿依达。同样，在商业世界中，当一个小型科技公司在大学里被创办并逐步脱离大学时，也可以用“衍生”这个词来形容。但让我们感兴趣的是第三种“衍生”，它描述了科学技术的进步，这些进步是在研究其他原则上无关紧要的事情时出现的。

美国国家航空航天局（NASA）每年都会制作一份关于其衍生产品的出版物，通过这种方式，NASA证明了其投资是合理的，也可以在一定程度上平息反对者的不满。看吧，多亏了太空探索，我们享受到了各种神奇的发明，如微波、烟雾探测器、卫星通信、灵感来源于登月鞋的运动鞋鞋底、滤水器以及目前高吸水性的一次性尿布。

科学逸事：20世纪80年代，航天局开始思考如何处理宇航员的生理需求—在起飞、着陆或太空行走等不能“上厕所”的时候。为此，他们使用了一种叫作聚丙烯酸钠的材料，它能吸收300倍于自身重量的水，也就是说，1公斤的聚丙烯酸钠能吸收300公斤重的水。当聚丙烯酸钠吸收水分或尿液时，会变成一种明胶，但它会比之前的棉花和纤维素尿布更为干燥。1983年挑战者号机组人员首次使用了它们。我们如今所使用的纸尿裤成了它们的衍生品，在某种程度上可以说，纸尿裤是从外太空来的。现在，我们不得不去解决这种化合物所产生的污染。

自从1976年NASA关于衍生科技的出版物《美国航天局技术衍生概况》问世以来，已经有了2000多个由太空计划衍生出来的科技产品。在最新一期的报告中，该机构着重介绍一些最近的先进技术应用。一开始为了验证火星上的雪而发明的激光成像系统现在被用于考古学，以确定新的考古发掘目标，如失落的城市或史前狩猎区。而在火箭发射期间用来稳定火箭的技术，现在可以保护摩天大楼不受风和地震的影响。此外，用来监测猎户座飞船降落伞的高分辨率相机，现在已用于车辆碰撞测试。而GPS系统的改进，已经被应用到可以自主操作的农业拖拉机上了。我们目前使用的无绳螺丝刀、钻头和真空吸尘器，其技术基于月球样本采集工具。用于检测肿瘤的计算机轴向断层扫描技术（CT），最初是检查太空飞船的损耗和机身的缺陷。还有高尔夫球杆的创新、新肥料……这份名单令人惊讶。

流行小知识：我们现在的个人电脑以及电脑中的微型芯片和微处理器都是集成电路的产物，这些集成电路曾被用于辅助阿波罗飞船的飞行。这些产物的出现归因于人们对重量的担忧，这句话说得再好不过了：有必要让电脑尽可能小而轻，因为对航天器来说，每重一公斤就可能多耗费100万欧元。携带一个450克重的足球到国际空间站将花费大约50万美元。无论如何，他们应该和塞尔吉奥·拉莫斯谈谈，他是西班牙国家队的队长，也是世界上最好的防守队员之一。但如果你是个足球迷的话，你肯定很清楚，如果我们让拉莫斯罚点球的话，他能免费把球踢到太空去（原谅我的玩笑，尤其是如果你是皇马球迷的话)[ 此处为调侃拉莫斯曾在欧冠半决赛中踢飞了点球。]。

就连美国通用食品公司在1957年开发出的那些五彩缤纷的菓珍饮料也是衍生品。1962年，宇航员约翰·格伦在轨道上进行喂食实验时，NASA使用了这些可溶于水的水果味粉末。另一种由于NASA的使用而越来越受欢迎的产品是尼龙搭扣，宇航员在执行阿波罗任务时使用尼龙搭扣，可以在失重状态下移动。1938年，杜邦公司发明的聚四氟乙烯，后来被用于隔热罩和宇航服。请注意：这些发明有时被归功于NASA，但事实是，这些物件只是被宇航局偶尔使用过，但是却为我们的日常生活带来了便利。

简而言之，基础科学与应用科学必须共存。通常情况下，基础科学是在大学或公共机构（如高等科学研究委员会，CSIC）中发展的，并作用于不同的政治、社会和经济的结合点。还有一些实力雄厚、有远见卓识的公司，如美国的部分公司，已经着手对基础科学进行投资。应用科学的短周期性质决定了它是由公共和私人资金资助的。

如今，在我们生活的快节奏世界里，似乎每件事都要在短时间内产生效用或即时的经济回报，抑或在短时间内产生影响。但是，正如我们所看到的，基础科学不仅有利于人类的发展，而且很多时候，意想不到的副产品可以改善许多人的生活，甚至改变人类。

尽管如此，我们不应该只从这个角度看问题。正如科普作家菲利普·鲍尔在他的著作《好奇心》中解释的那样，好奇心恰恰是人类本性的一个基本部分（很多人都试图压制这种天性），它不仅是为了发财，更是促进了科学的进步或衍生品的发展。

有时候，只要知道三个夸克形成一个质子，或者知道在许多星系的中心有超大质量的黑洞，就足够了。了解宇宙的所有规模，并着迷于它的神秘，本身就足够有趣。当然，那些梦想远大的科学家们，一直探索并发展科技，这将进一步改变我们的生活。他们几十年如一日地坚持着自己的工作，或许只是因为，人类的好奇心没有极限。

.27.晶体管不（只）等于收音机

我读电信专业的头一年，就在六门课程中挂科了两门—物理学和电子元器件。我没办法升入大二， 一度很消沉，甚至想要放弃自己的职业选择。最让我头疼的就是物理学中的半导体和电子学中的晶体管—当然，当时的我并不清楚它们在我的职业领域中会有多么重要。

你不觉得智能手机、电脑、游戏机这些电子产品很神奇吗？科幻小说作家阿瑟·C.克拉克也提到，一项足够先进的技术同魔法没有什么区别。如今，我们的技术已经非常先进，就像魔法一样，尽管它们并不是真正的魔法。

哲学家、社会家布鲁诺·拉图尔把这些科技进步形容成“黑匣子”，他认为虽然我们从中受益，但其中的奥秘太过复杂，我们难以理解。它们确实就像黑匣子一样，很多时候，我们并不在乎里面装的是什么，比如说，不会有很多人想要知道智能手机或电脑是如何运作的。不过，很明显，作为工程师，我必须要知道这些科技的原理，虽然你可能并不需要它，但我认为让每个人都知道一些技术发展的基本原理是有好处的。这能让我们的孩子或学生理解学习物理和数学的重要性，也能让我们理解黑匣子的内部构造，而不会认为这是神奇的法术或者外星人的杰作。毕竟，它们只不过是电路、电子和电流罢了。

在人类对技术的追求过程中，晶体管技术是改变世界的关键性发明。在生活中，老年人口中的晶体管往往指的是无线电晶体管，通常是那种便携式的无线电设备，可以用来听足球比赛或时事新闻。但是，我们也应该看到，晶体管也是电脑中的基本电子元件，并且随着科技革命的推动，晶体管的体积也在逐渐缩小，就像电影《不可思议的收缩人》或《蚁人》那样。

让我们从头开始探索。电脑是一种能够高速执行千百万次数学运算的计算机器。在西班牙语中，computadora和ordenaor两个单词都带有“电脑”的含义，而前者显然比后者更忠实地表达出它的计算功能。人类历史上最早出现的计算工具是算盘，早在2500年前的古巴比伦，人们就已经用算盘进行简单的算术计算了。

许多个世纪之后，机械计算器开始出现。例如：1642年，哲学家布莱斯·帕斯卡发明了计算机器；1837年，查尔斯·巴贝奇设计了更为先进的分析机—这台机器可以进行多种数学运算，并且可以用穿孔卡编程，这也是为什么他被认为是计算机科学的先驱之一。20世纪，数学家艾伦·图灵成功破译了二战期间纳粹用于交流的恩尼格玛密码，使战争提前了两年结束，从而挽救了成千上万人的生命。然而，图灵对计算机科学的发展所做的巨大贡献并不是物理机器，而是一种心理机器—图灵机。

图灵机并不是那种我们能在博物馆里摸到或者看到的实物，它更像一个代表了计算机的理论概念或假想装置，这帮助科学家理解了机械计算的极限。在概念上，它表现为能够按照一组规则进行连续操作的一条长纸带。这是计算机和算法的心理表征—算法这个词现在被用得很多，但不是每个人都知道怎么定义。准确地说，算法是一组有限的系统操作，通过这些操作可以得到一个结果。我们可以认为菜谱在某种程度上就是一个算法，能够将原料转换成做好的菜，而电脑就像厨师一样，他们首先需要特定的原料（输入），然后要进行某些操作（通常需要数百万次），最后便能给顾客提供烹饪好了的食物（输出）。

让我们继续讲下去。1946年，世界上第一台通用计算机—电子数值积分计算机（ENIAC）公布于世。这台机器最初是为美国陆军计算火炮的轨迹而设计的，此后，它被用来计算圆周率的小数位，或者进行与原子弹有关的计算。ENIAC体型庞大，占地面积167平方米，重达27吨，除了随处可见的电灯和电缆，还包含了6000多个开关—在20世纪50年代的科幻电影中，这些开关往往被用来代表电脑。如此浩大的阵势或许会让我们觉得这台机器的计算能力十分高超，而事实上，任何一部手掌大小的手机都比它要快上几千倍，比它产热更少—要知道，运转中的ENIAC能让房间温度升高至50摄氏度。尽管如此，它已经是一台可以被重新编程的计算机，能够快速执行不同的计算任务，而这些计算对人类的大脑来说过于烦琐、过于费力。ENIAC有着17500个类似于灯泡的真空管，不仅占用了大量空间，还十分容易熔化，必须要经常更换。这就有了晶体管的用武之地。

凡人亦英雄：ENIAC主要是由约翰·普雷斯帕·埃克特和约翰·威廉·莫奇利两位工程师构思设计的，但编写程序的却是六位女性科学家。我很抱歉，为了公平，我必须要占用篇幅写下她们的名字：贝蒂·斯奈德·霍尔伯顿、让·詹宁斯·巴蒂克、凯瑟琳·麦克纳尔蒂·莫奇利·安东内利、马林·韦斯科夫·梅尔泽、露丝·利特曼·泰特尔鲍姆和弗朗西斯·比拉斯·斯宾塞。

几年后，1951年，埃克特和莫奇利两人又设计出第一台商用电子计算机—通用自动计算机（UNIVAC）。这台计算机可要比它的上一代轻多了，重约7吨，并且能够每秒进行1000次计算。我来解释下“商用”的含义，在当时，每台UNIVAC的售价为100多万美元（换算到今天相当于600万到900万美元）。幸运的是，这两位工程师不仅天赋异禀，还十分无私，他们将UNIVAC捐赠给了哈佛大学和宾夕法尼亚大学。

不过，真空管到底有什么用？基本说来，它在计算逻辑中引入了真和假的概念，因为计算机使用二进制代码，只计算1和0。虽然现在计算机也用十六进制语言进行运算，但我们所知道的每一个数字都能被转换成二进制，这样我们就可以把它们表示成一系列的0和1。例如，从0到10的二进制数字是：

可以这样一直表示到无穷。

为什么这很有趣呢？因为这样计算机就不需要知道所有的数字，只需要知道两个就足够了。0和1可以很容易地描述物理世界，比如，当电路中没有电流时，处理器就会演示为0，而电流到达时，可以用1表示。这就是关键，这就是计算机的工作原理，它能够在解释电流的二进制代码中全速运行。

为此，人们使用了真空管（比如，当你在房间里关灯或开灯时）：这是一个很简单的系统，通过它能够控制电流的流动。有了这些电流，有了这些0和1，就可以进行更复杂的数学运算。这是一切的基础。

科学逸事：1835年，约瑟夫·亨利发明了继电器。继电器是一种电子控制软件，在这种电路中，一个或多个触点可以在一个电路中工作，而这个电路又允许打开或关闭(如断路器)其他独立的电路。继电器有几十种工业应用，你一定能在家里发现其中的一些，它们构成了配电盘上的所有开关，当家里停电时，你应该去找找这些开关。

据说，1947年时，海军少将格蕾丝·霍珀在哈佛大学马克二世电脑—历史上最早的可编程电脑之一—上发现了一个由继电器故障导致的错误。这个故障是由于一只飞蛾被意外困在了计算机内部的继电器上，导致计算机无法正常运转。她将飞蛾取了出来，并且将它粘在日记本里。好玩的是，从这以后，任何计算机程序隐错都被称为“bug”，而调试程序以识别和纠正编程错误的过程则被称为“debug”。霍珀不只是因为把当初那只虫子粘在自己的日记本上而出名，她还是耶鲁大学数学博士学位设立233年间的首位女性学生，也是编程语言FLOW-MATIC的开发者—编程语言COBOL的前身。这种语言能够使计算机间相互用英语对话，革命性地改变了当时的计算机领域。

随着晶体管的出现，科技发生了革命性的变化。晶体管比真空管和继电器都更小，也不那么容易发生故障。第二代电子计算机便是采用晶体管制造出来的。这种计算机是半导体物理的产物，而半导体物理又是量子物理的产物，是由巴丁、布拉顿和肖克利在1943年发明的。这一成就为他们赢得了1956年的诺贝尔物理学奖。

从那时起，技术的发展已经有些令人眼花缭乱了，因为越来越小的晶体管被制造出来，计算机也逐渐有了更广泛的用途。

晶体管是一种有发射极、基极和集电极这三极的半导体器件，也是我大学考试中最头痛的知识点。这种器件由二氧化硅（二氧化硅氧化物）制成，通过“窃取”其中的两个氧分子，可以将其精炼为地球上最纯净的材料之一—硅。当前的微处理器要求使用高纯度硅。在大学课堂上，要想解释清楚晶体管是如何运作的，以及应用在哪些方面，需要整整花费一学年的课时。简单说来，它就像一种障碍路径。这种电阻变换特性使科学家将它命名为“转换电阻”—transfer resistor，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。

来自伦敦大学学院的安德里亚·塞拉曾向我解释过，基本上，晶体管是一个通过添加杂质来控制硅的行为的器件。通过打开、关闭晶体管，这些杂质会形成某些阻碍，从而让电子避开它们。经大量的测量和正确的安排，我们得以在晶体管中模拟所有与二进制语言相关的逻辑功能。这就是晶体管，人类历史上最重要的发明之一。

有些元素的行为像导体(1)或绝缘体(0)，这取决于一系列诸如电场、磁场、压力、影响它们的辐射，以及环境温度等因素。这些元素包括硅、锗、镓，甚至是硫。在所有这些材料中，被使用最多的是硅。人类几百年来一直使用它，如古代美索不达米亚制造的箭头，或者在我们的大教堂中用来锻造琉璃窗的玻璃。这并不是出于其硬度或电稳定性的考量，而是因为相较于其他元素而言，硅最容易获取：它几乎无处不在，约占地壳总质量的25％，此外，海滩上的沙子的主要成分就是含硅化合物。

科学逸事：这也是为什么在1971年时，人们会将世界上最强大的电子产业集聚区命名为“硅谷”。位于加利福尼亚旧金山附近的硅谷显然受到了嬉皮士文化的熏陶，大多数科技企业和创业公司都具备一种创造性资本主义的特质，十分无拘无束，同纽约等美国东部海岸城市中的刚性与严肃截然不同。这就是所谓的“谷歌精神”，也是Facebook创始人马克·扎克伯格常年不打领带、只穿运动鞋和运动衫的原因。如今，苹果的总部设在库比蒂诺，Facebook的总部设在门洛帕克，而谷歌的总部设在山景城，几乎所有你能想到的科技公司都在这里了。当你下次去海滩时，除了想着喝点莫吉托，也看看沙子吧！它不仅仅能建造城堡，其中所含的硅也正是世界经济的基础。

20世纪60年代，晶体管已经能够应用于集成电路内部，我们来到了所谓的“第三代”。当我在大学里学习电信专业时，我们曾戏称晶体管为“蟑螂”—瞧瞧，昆虫与计算机又一次携手并进了。有了晶体管，我们得以成功控制各种各样的电路,而这也是我在这个行业中最喜欢的事情。微观电路中所有的电子元件，比如电容器、电阻和晶体管都是由相同的材料制成的，这也使越来越多的电路能够在较小的空间中使用，同时它们的制造工艺也在不断优化。近几十年的科技发展历程便是这样：更小的尺寸、更低的成本、更强大的计算能力……

这种日益微型化的计算能力使我们能够发明可随身携带的平板电脑和笔记本电脑，它们甚至已经成为我们身体的一部分。

20世纪60年代，国际商业机器公司（IBM）创造出来IBM 7070，而在1968年，罗伯特·诺伊斯和戈登·E.摩尔共同创建了英特尔(Intel)，该公司目前仍在生产著名的奔腾处理器。其中，摩尔所提出的摩尔定律解释了晶体管技术的迅猛发展。英特尔一直致力于生产微芯片和集成电路，而集成电路是由德州仪器公司的杰克·基尔比发明的，他还因此在2000年获得了诺贝尔物理学奖。

2017年，英特尔公布了将于2020年前后问世的最新的晶体管。这种晶体管只有7纳米大小—想象一下吧，氦原子的直径是0.1纳米，而细胞内的核糖体就已经有20纳米大了。这已经接近物理学所允许的极限，即近似原子的大小（众所周知，我们不可能创造出比原子更小的东西）。在这种极小的尺寸上，芯片有可能会非常热，并出现量子效应，破坏原本的用途。也就是说，大自然本身将阻止摩尔定律和科技产品的持续小型化发展。那么，这个几十年来一直建立在持续创新基础上的行业将如何应对呢？这还有待观察，但除晶体管技术以外，其他领域的研究也已经在进行，因此进展不会放缓。

每当提起晶体管技术，我都会觉得它是如此奇妙，并且感慨人类竟已努力实现了这样伟大的成就，真是令人敬佩啊！尽管有人依旧坚信是外星人向我们提供了如晶体管一般的先进技术，但我更愿意相信，是我们自己的好奇心与科学探究精神，为人类送上了这份礼物。

现在，每当打开笔记本电脑或手机，又或者使用电视或车库的遥控器时，你也许不会再将它们看作魔法或者难以捉摸的黑匣子，而是明白，它是一种包含了数以百万计的数学运算以及能在极短时间内通过微弱电流的设备。

.28.为了进行重力实验，伽利略摔坏了多少苹果？

这就是太空，它不会迁就谁的。有些时候，一切都会变得越来越糟。面对这种情况，你可能会想：“一切都结束了，我要完蛋了。这时候，你要么等死，要么想办法解决，就是这样。你只要能开始想办法，解决第一个难题，然后接着解决下一个问题，循环往复，等你解决完足够多的问题时，你就能回家了。”

—《火星救援》

在我们日常生活的每一天里，我们都会收到无数的信息，尤其是我们现在生活在与互联网永久连接的环境中，所以离不开智能手机或平板电脑等设备的帮助。政客的演讲、算命师的预测、经济学家的诊断、街头受访者的回答、电视观众的意见，还有来自大学、实验室和其他科研机构的科学信息……我们怎样才能判断哪些知识是可靠的？科学的方法是什么？它的目的又是什么？

科学方法千变万化，科学家们并不总是按部就班地只遵循着某一种方法来做研究，直觉或运气也同样起着很大的作用。但我们能够大致了解一下科学方法的基本特征。科学方法普遍的步骤是：观察自然现象并提出问题，制定假说来解释问题，预测结果，设计实验来验证假说。如果假说失败了，就必须重复上述过程，直到我们找到一个有效的假说，使它可以被总结成为自然规律。

如你所见，科学方法，最基本的一点是它严谨地解释自然，而不是基于草率的观点、意识形态或某些书本上的思想。科学实验是检验我们知识的一个严格的考核，考官则是事物的本质。

古希腊人已经开始通过观察现实来获取知识了。然而，16世纪以来，弗兰西斯·培根、伽利略、开普勒、哥白尼和牛顿所引领的科学革命，才带来今天我们所知道的现代科学。在那个年代，其他形式的知识很流行。例如：通过阅读《圣经》或哲学权威，如柏拉图和亚里士多德的著作，来解决问题和解释现象。

伽利略是最早进行物理实验的人之一。根据人们所说，他通过在斜面或比萨斜塔的顶端扔球来研究物体的运动。他通过自己的实验获得知识，质疑现实，而非偏信希腊圣贤所说的。伽利略也是最早倡导将数学与实验研究相结合的人，自此，数学成为科学的语言。正如伽利略所说：“自然之书是用数学语言写的。”

英国历史学家弗朗西斯·A.耶茨研究发现：在科学革命期间，类似魔法、炼金术或占星术的秘术也十分重要，也就是所谓的“赫尔墨斯传统”。尽管这些秘术并没有受到过多关注，但开普勒和牛顿确实在这方面耗费了一定精力，这些学科在当时和真正的科学一样有前途，一些属于科学的幻象与由秘术带来的幻象共存于科学界。

流行小知识：据说牛顿曾努力寻找过魔法石。炼金术士认为魔法石是一种神奇的物质，能够将铅之类的普通金属变成黄金或白银，还能制成灵丹妙药，让人永葆青春，长生不老。文学和漫画领域也反映了人类对魔法石的探索。例如：大家都知道的比利时艺术家贝约所创作的蓝精灵，他们的对手格格巫十分渴望发现魔法石，并且认为从蓝精灵身上能够提炼出魔法石，可不管是他，还是他的手下阿兹猫，都没能抓住这些蓝色的小东西。

这些学科的好处是，它们直接与自然产生交集，相信人类可以对自然进行操控（尽管是以一种非常“魔幻”的方式）。因此，耶茨的解释是：从炼金术中发展出了化学，从占星术中发展出了天文学，而从魔法中发展出了普遍意义上的科学，因为人们发现，这些秘术虽然在当时短暂地起过作用，却不能永远有效。

至今，仍有人在提供占星或塔罗牌服务，但你或许应该知道，这些把戏早在几个世纪前就被科学抛弃了—即使它们继续在深夜档电视节目出现，或者神秘商店和集市上出售。这其实跟大多数所谓的替代疗法（顺势疗法、灵气疗法、芳香疗法等）或伪科学理论（幽浮学、寻水术、超心理学）差不多，这些知识不是用科学的方法产生的，也不是建立在证据的基础上的。在美国，没有人花费心思将其与现实进行对比。不过必须承认，在很多时候，这是一个有着巨大利润的行业。

但这并不意味着科学家是唯一掌握有用知识的人。事实上，还有其他一些非常受人尊敬的学科，如法律或音乐，它们原则上并不需要科学的参与。科学在探索物质世界时是有用的，鉴于科学方法在诸如物理或化学等学科中所取得的成功（尽管只取得了部分成果），人们已经开始尝试将科学方法应用到社会科学中去。然而，人类和社会比原子或星系的世界要复杂得多，也更难研究和预测。这就是为什么社会科学从未准确地应用科学方法或获得十分严谨的预测。

许多人并不相信科学，他们认为科学家在某种意义上类似于独裁者—坚信自己是正确的，并将自己的观点强加于别人。没有比这样的想法更脱离现实的了，这样想的人显然并不了解科学方法，因为科学家是自然规律的囚徒，不可能把自己的观点强加于人。当自然规律没有被澄清时，当不同的科学家所做的实验相互矛盾时，他们之间就有了无限的争论空间。科学家也是人，而有些人会为了自我而动摇，有些人会对新思想采取十分保守的态度，有些人甚至会为了得到他人的认可而对研究结果进行造假。

然而，科学有一个强大的筛选系统：世界上任何一个地方的科学家都可以重复你的实验（这被称为“重现性”)，评判你的工作，甚至直接摧毁那些错误的结论。此外，科学也是一个全球系统，在这个系统中，所有的研究人员都能通过专门的科学出版物，比如《自然》《科学》杂志分享自己的发现，并且审核他们同行的研究结果。

另一方面，科学知识是不断积累的。牛顿说，他之所以能看到更远的地方，是因为他“站在巨人的肩膀上”。他的意思是，科学领域中，在扩展或修正上一代科学家的知识上，每一代人都有自己的优势。科学是一种流动于祖父母、父母和孙辈之间的序列，这种流动不可停止，这一点很重要。

科学知识流动的这种方式是科学取得巨大成功的原因之一。科学发明了飞机、电脑，治愈了多种疾病，延长了我们的寿命，但也污染了大自然，创造了可怕到能够毁灭人类的原子弹和各种化学武器。原子弹之父罗伯特·奥本海默悲伤地说：“我成了死神，世界的毁灭者。”值得讨论的是，无论核武器是用于哪些场所，它都是一个非常强大的工具，它就像一把菜刀，可以用来切菜，也可以杀死别人。

所以，尽管有时有些科学家会犯错，会固守己见，甚至会厚颜无耻，但科学总是倾向于纠正他们的错误。事实上，这种不断的自我批评是科学另一个引人注目的特质。如果你认真观察的话，神秘学和宗教的教义千百年间都在重复着同样的事情，而科学知识却每天都在改变和纠正自我。例如：牛顿的物理学被更全球化、更精确的理论—比如爱因斯坦的广义相对论—取代了。牛顿的物理学虽然在其作用范围，也就是我们的日常生活中是正确的，但却不能解释宇宙中发生的所有现象。又如，我们从中世纪认为地球是宇宙的中心的结论过渡到了现在的日心说。所以科学知识总是试探性的，像科学真理这样的东西很难被界定，但这是我们对自然界最好的解释。也许有一天，那些被广泛接受、解释我们世界的理论，如相对论和量子力学，也会让位于其他更有用和更完美的理论。谁知道呢？

简而言之，你要永远保持批判性思维。不要过分相信YouTube所传达给你的信息，也不要过于相信我的视频或者我的这本书。唯一不变且绝对正确的只有听妈妈的话。除此之外，别人都像是算命先生一样，因为他们对你说：“你要摔跤了，你要摔跤……”等到你真的摔倒了，就会认为他们说的话非常具有预见性。

.29.宇宙中哪里最冷，哪里最热？

地球上的天气总是不错。当然了，如果你住在西班牙布尔戈斯或者索里亚，你大可不必认同我的说法。不过，让我们乐观点吧，总会有人比你更惨，比如说，生活在世界最南端的阿根廷乌斯怀亚人，或者最北端的加拿大阿勒特人。我所说的“好天气”并不是指可以躺在沙滩上晒太阳的意思，而是指地球有着适宜生命存在的平均温度。

人体的温度往往在35到37摄氏度之间。如果体温超过了37摄氏度，说明我们发烧了；如果低于35摄氏度则是体温过低。尽管我们还没有成功，但在寻找地球以外的生命时，适宜的温度是最重要的参数之一。有时，生活的烦琐往往让我们忘记了人类是多么的稀有，又是多么的孤独与脆弱。

墨菲定律永远是正确的，因为事情永远都能变得更糟。如果我们被扔出地球，会立马在平均温度低至零下270摄氏度的太空中冻死。宇宙可真是太冷了！如果我们“幸运地”落在一颗星星上，就会迅速被几千度的高温烤熟。在我们的地球上，也存在着人类难以生存的极端温度，比如寒冷的极地、炎热的沙漠，以及8月15日那天的塞维利亚……不过，有一种极端微生物（更具体点说，是超嗜热生物）的细菌能够在70 摄氏度以上的高温中存活，如海底火山或是滚烫的水域。

极端微生物是一种微生物，它能够生存在温度高于100摄氏度的液体环境中，如间歇泉中，能适应马里亚纳海沟的高压环境，也能在电池内的酸性环境中活下来，甚至，它还能去外太空逛逛！但这还不是最令人惊讶的特质。这种微生物能够通过化学合成，将硫、硅和其他无机物—甚至某些剧毒物质—转化为可以供其他生物进行生命活动的有机化合物。此外，由于它们可以将有毒有害的物质降解到自然环境中去，医学界已经耗费数十年来研究如何成功提取这种生物的DNA。

这种微生物的存在还带来了更多思考。如果它们能够在如此极端的环境中生存并且进行化学合成，那谁还会仅仅因为其他行星非常冷、非常热或存在有毒物质就打包票说那里不存在生命呢？事实上，在对印度的喀拉拉红雨样本进行分析时，人们在常温下分离出一种惰性细胞，它没有DNA，能够在121摄氏度的条件下繁殖，有人猜测这种细胞可能来自外星生物。它们有可能是地球上生命的起源，并在几千年前到过这里。要找到所有的答案可能需要时间，但与此同时，我们可以再进一步思考一下地球上不同环境中的微生物问题，比如说，在黄石国家公园里的大棱镜温泉中，明亮鲜艳的水体颜色会随着其中微生物的变化而变化……

那么，宇宙所存在的温度范围又是多少呢？为了解答这个问题，我们最好重新回忆一下第2章的内容：“温度”实质上是组成物质的分子的振动频率，热水中的分子要比冷水中的分子振动得更厉害。如果它们的振动频率过高，分子就会摆脱水的形态，从而以水蒸气的形式进入空气；如果它们的振动频率很低，就会形成固态的冰。因此，我们的感官所体会到的冷或热，不过是这些微观实体的振动。

现在，我们可以来探讨是否存在一个最低温度，而它又会是怎样的。既然我们已经知道温度与振动有关，我们应该可以理解，可能达到的最低温度应该是分子静止时的温度。这个温度确实存在，被称为“绝对零度”—零下273.15摄氏度（或0 开氏度）。科学家们通过观测微波背景辐射（一种类似于宇宙背景探测者卫星所记录的原始大爆炸的遗迹）而计算出，宇宙的平均温度是3 开氏度，仅仅比绝对零度高了3摄氏度。

当然，并不是宇宙中的每一处都处于如此低的温度。那么，存在的最高温度是多少？这很难计算，因为分子需要达到最高振动频率。这里便出现了一种新的物质状态，当气体分子剧烈振动时，它们会分解成原子，原子又会分解成质子、中子和电子等基本粒子，而这种原子分解形成的一团物质被称为“等离子体”，将会是最热的状态。因此，物质现在有四种状态：固态、液态、气态和等离子态。

不过，特别要指出的是，在已知的宇宙中，哪里最冷、哪里最热呢？我们通常认为回飞棒星云是宇宙中温度最低的地方（这个名称的由来是因为首批发现它的天文学家觉得它看上去像回飞棒）。它位于人马座上，距离地球约5000光年。1995年，经欧洲南方天文台位于智利的次微米波望远镜测量，回飞棒星云的温度只有1开氏度，或者说大约零下272摄氏度。这是在实验室外自然观测到的最低的温度，也是唯一一个温度低于宇宙微波辐射的物体。

为什么回飞棒星云会如此寒冷？这是因为它是由一团正在膨胀的气体组成，这些气体是从一颗正在死亡的恒星中喷溅出来的，而且，根据简单的热力学定律，气体膨胀时冷却，压缩时升温。可能有一天，当太阳死亡后，它也会变得如此寒冷，但这一天还有很久很久才会到来。

实验室里的最低温度就不一样了。目前，离绝对零度最近的一次发生在麻省理工学院的一间实验室里。2003年，诺贝尔奖得主沃尔夫冈·凯特尔成功达到了八百一十万亿分之一开氏度。在这样的温度下，大多数物质都会被冻结，但它们也像在液氦中一样出现了所谓的超流体现象，这是一种以没有黏性为特征的物质状态。

科学逸事：在后面的章节中，我们会看到，超流体的量子性质使它们有着奇怪的特点。比如说，从玻璃杯中向上流动而逃逸，或者渗进一面坚实的墙壁。

最高温度则来自围绕着RX J1347.5-1145星系团的一团气体，它距离地球约50亿光年，位于处女座上，经日本X射线天文卫星朱雀卫星的测量，它有着3亿摄氏度的高温。科学家至今还不清楚为什么它会有如此高的温度，据推测这可能是该区域内的星系高速碰撞造成的。但可以肯定的是，这是自从发生大爆炸后所探测到的最高温度。为了让你们有个参照，我告诉你们，太阳的中心也只不过是1500万摄氏度。这样一比，我们简直可以说，地球可真是凉快呢！

我把“宇宙中哪里最冷？（可别说索里亚）”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

Instagram

@paulavives12: 当我躺进一点也不暖和的被窝时，我的床是全宇宙最冷的地方了。

@aranchimpum: 我男朋友说是我们上床睡觉时，我踩在他背上的光脚。

@pieropippo3: 我前任的心。

@ttrisrf: 洗完澡后从我浴室到卧室的那段路。

Facebook

@Juan Sebastián López: 好人卡吧。

@Pedro Villarías: 我岳母的拥抱。简直是绝对零度，没什么比这拥抱更冷冰冰的了。

.30. “意外发现”和致幻剂有什么联系？

不知你是否有过这样一种经历—没有刻意要求而纯粹出于运气就能得到一些东西。科学家们也会经历这样的事情。在前面的章节中，我们解释了科学方法的基本步骤，即提出假设并设计实验来证实或否定它（如果假设被否定，那么要重新设计实验，继续研究）。但科学方法并没有严格的界定，而且许多新发现纯粹是出于偶然。科学家和其他人一样都是普通人，他们也会依赖运气，并且运气会带给他们新的发现，只有在他们以前储备的知识和辛勤工作的基础上，才能在许多情况下注意或偶然发现被其他人忽视的细节。

“意外发现”这个词便是用来形容上述情况的。它是由18世纪的英国作家霍勒斯·沃波尔根据一个古老的波斯童话《锡兰的三位王子》创造的。锡兰是斯里兰卡的旧名，故事的主角们正是在不可思议的巧合的帮助下，解决了问题。1955年，享有盛誉的美国杂志《科学美国人》[ 该杂志的西班牙文版名为Investigación y Ciencia，即《研究与科学》。]重新使用了这个词来指代我们关注的领域，西班牙皇家语言学院将其定义为“一个意外的或偶然的有价值的发现”。在科学领域， 当一个科学家或一群科学家在研究一件东西，结果却发现了另一件意想不到的东西时，就会被称为“意外发现”。它也有它的优点，因为通常这些内容是不容易被发现的，你必须时刻注意眼前可能出现的事物。而这有很多的例子可以说明问题。

凡人亦英雄：最著名的案例之一是英国微生物学家亚历山大·弗莱明对青霉素的发现。1928年，弗莱明结束了三周的休假，回到了实验室，却发现自己忘记丢弃的金黄色葡萄球菌的培养皿中意外地长出了一种霉菌，似乎可以阻止细菌的增殖，因为这种霉菌周围的病原细菌全部被杀死了。这种真菌属于青霉菌，所以弗莱明把它产生的物质命名为“青霉素”。从此，开启了抗生素的时代。

这一发现虽然偶然，但并非微不足道，事实上，它足以改变医学史。二战期间，美国化学家恩斯特·鲍里斯·钱恩和霍华德·沃尔特·弗洛里成功提纯了青霉素，使其可以用于人类，随后投入市场。因此，1945年，弗莱明与这两位科学家共同分享了诺贝尔奖。正是因为发现了抗生素，我们才有可能战胜大量攻击人体的微生物，挽救了数百万人的生命，从而提高全人类的预期寿命和福祉。运气是多么重要啊！没错，青霉素的发现确实带有很大的运气成分，但是如果弗莱明不是一位一流的科学家，如果他没有发现并深入研究这种异常现象，那么青霉素的秘密也就不会被公之于世。

另一个和意外发现（虽然有点奇怪）有关的例子是德国有机化学家奥古斯特·凯库勒发现苯结构的故事。苯这种分子是一种芳香烃，为化学工业带来了巨额利润。苯能够被用于制造口香糖、染料、洗涤剂、杀虫剂、药品等，甚至连香烟的烟雾中也含有苯。苯的化学特征源于其原子排列成环状，而正是凯库勒发现了所有芳香族化合物都具有上述苯环结构。在苯环结构被发现25年后，德国化学学会专程向他致敬，凯库勒讲述了他发现苯环结构的经过：在探究了一年之后，他梦到了一个苯环，就像古希腊人、古埃及人和炼金术士口中象征着永恒轮回的衔尾蛇一般在他面前跳舞。凯库勒的逸事听起来不太科学，我们也难搞清楚它是否属于“意外发现”的范畴，但纵观科学史，它确实在苯的探索过程中触发了凯库勒的灵感。

属于“意外发现”范畴的还有：亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明的电话、尼尔斯·波尔创造出的原子模型、罗伊·J.布朗克发现的聚四氟乙烯和瑞士化学家阿尔伯特·霍夫曼合成的致幻剂LSD—这种麦角酸二乙酰胺致幻剂引起了嬉皮士们的狂欢，并为迷幻剂领域打开了新的大门。

1938年，霍夫曼在巴塞尔的山德士实验室工作，他试图用麦角菌生产某些药物，结果却意外合成了致幻剂LSD，但它的作用直到1943年才被发现。当时，霍夫曼正在做实验，却因意外的皮肤接触而吸收了微量的LSD，随后他出现了头晕和奇怪的感觉，因此不得不离开实验室回家躺下。在他的脑海里，出现了两个小时的梦幻世界—里面有色彩斑斓的万花筒、各种各样的形状和声音……此后，霍夫曼开始有意地服食了几次LSD，再次经历了那种“糟糕的旅行”，并在此基础上着手研究LSD在精神病学领域的用途。

还有一些发明，可以说是偶然中的偶然，甚至可以说是失败的实验结果。举个例子，1970年，化学家斯宾塞·希尔弗本想发明一种强大的胶水，但是结果并不如预期。他发明的胶水既能将小纸条牢牢地粘在桌子上，又能够轻易地撕下，而不留下任何痕迹。这就是便利贴如何诞生的故事背景。

微波炉的发明也是如此。1946年，美国雷神公司的工程师珀西·斯宾塞恼怒地发现他正在测试的磁控管（能够将电能转化为电磁能，自1930年以来一直用于制造雷达）融化了他口袋里的巧克力。当理智回归后，他决定用其他食物再次进行实验。他将食物放进一个一个小金属盒里，盒子里充满了小磁控管所产生的微波。从此，三分钟制作爆米花的日子慢慢来临了。

科学逸事：“伟哥”这种蓝色的小药丸原先是为高血压或心绞痛患者设计的专用药物，然而有趣的是，它意外地造福了世界各地的性功能障碍者。

“意外发现”有时候也适用于科学之外的领域。例如：正如意大利学者翁贝托·艾柯所指出，1492年克里斯托弗·哥伦布发现美洲也与机遇有关。哥伦布的三艘大帆船原本是为了寻找东印度群岛，结果却意外发现了在当时无人知晓的新大陆。

最后是我的几点建议。首先，要记住：成天躺在床上聊天、刷博客是不太可能带给你好运气的，就像毕加索说的，只有工作才能激发人的灵感；其次，你要非常关注“意外发现”的出现时机。只有最精明的人，才知道如何把命运的游戏看作是获得新发现的机会。尽管我们一直在谈论机会或运气，但只有这些是远远不够的。这就是为什么我从不在考试前祝我的学生好运，我更喜欢说：“愿原力与你同在。”[ 电影《星球大战》中绝地武士间的祝福，后来成为现实世界里所有相关粉丝互通祝福的话语。]

.31.时空共振

很久很久以前，在一个非常遥远的星系里—这并不是《星球大战》的开头—两个黑洞发生了碰撞，结果是产生了一个更大、旋转的黑洞。这次冲突是如此激烈且充满能量（事实上，这可能是宇宙中发生过的最剧烈、最富能量的事件之一），以至于整个时空都在振动。就像石头掉在平静的池塘里所产生的扰动，这种振动开始以光速向周围传播。一千四百亿年后，这些振动到达了一颗正在围绕着恒星旋转的小行星，而这颗恒星位于银河系的一角。当振动最初发生时，小行星上刚刚开始出现有性繁殖的生命形式，然而等到振动到达时，这个星球已经存在了一种特别的智慧生命—人类（当然了，当看到我们对自己的星球做了些什么后，我觉得“智慧”这两个字很值得商榷）。在地球这个小小的星球上，人类发展起足够先进的技术来探测这些微弱的振动信号。终于，在美国东部时间2015年9月14日5时51分，人类首次探测到了引力波。

和希格斯玻色子一样，引力波也是近年来最伟大的科学发现之一。事实上，在2017年，诺贝尔物理学奖和西班牙阿斯图里亚斯女亲王奖都授予了对引力波探测起到决定性贡献作用的三位科学家—基普·索恩、雷纳·韦斯和巴里·C.巴里斯。除了科研成就，基普·索恩这位具有超凡魅力的科学家还曾因为一些逸事而闻名：他曾经和他的朋友斯蒂芬·霍金就黑洞问题打赌，并赢得了对方为他订阅的杂志《阁楼》；他还担任过电影《星际穿越》的科学顾问，这部电影的设定同引力波密切相关。然而，引力波这个概念的出现时间要更加久远，早在1915年，才华横溢的阿尔伯特·爱因斯坦在发表的《广义相对论》中，就已经预言了引力波的存在，而这部著作也成为目前我们理解宇宙的方式。

广义相对论认为：我们所处的时空就像一种网状物，而巨大的质量，如恒星和行星，会使网状物发生弯曲，这就是为什么我们会向地面“坠落”。造成这种弯曲的就是物体的质量。事实上，我们自己的身体、一个台球甚至一只蝴蝶都会使得时空弯曲，但这些质量同那些巨大的天体相比微乎其微。牛顿认为重力是一种距离上的力，一种无形、近乎神奇的吸引力。爱因斯坦解释说：“这更像是一个几何问题，就好比如果你在浴室的水槽上面放一块大理石，它就会沉进水里，质量就是这样使得空间变形。”事实上，有一句话很简单地概括了这个理论—质量导致空间弯曲，而弯曲的空间又决定了物质的运动。

引力波是时空网格的振动，就像我们说过的，类似于池塘、帆布或蹦床中的波纹，然而在这里，振动的不是水面或画布，而是时空本身。这很难想象，但它确实是这样的—自然界存在着一种现实的结构振动。

过去，广义相对论曾被不同的研究所证实过。例如：它成功预测了水星轨道的某些异常；1919年，英国天体物理学家亚瑟·艾丁顿在日食期间验证了太阳光线的曲率。是的，尽管它一点都不直观，但我们在宇宙中所发现的微小现象也表明：光并不总是沿着直线延伸，它也会弯曲。然而，引力波是否存在的问题曾一度引起争论。现在，引力波的发现再次证明了爱因斯坦的理论是正确的。但这些波究竟是如何被探测到的呢？为什么它们如此难以捉摸呢？

用来观察引力波的仪器不是普通的望远镜，而是一个被称为“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的大型设备，由路易斯安那州的利文斯顿观测台和华盛顿的汉福德观测台共同构成，它们二者间相隔3000多公里。这两个观测台各自安装着一个干涉仪，干涉仪的两个垂直干涉臂长为2千米。让我来简单地解释下吧，当时空膨胀或收缩时，激光束会穿过干涉臂，导致干涉图样发生变化。而这就是干涉仪能够检测到引力波的工作原理。之所以同时存在两个观测台，是因为这样可以避免地震等因素可能对测量带来的干扰。激光干涉引力波天文台于1985年起由索恩和韦斯开发，耗资3.65亿美元。

自从第一次检测到引力波以来，又有一些引力波被相继发现。例如：2017年8月，科学家拍摄到两颗中子星在距离地球1.3亿光年的地方相撞。因此，对引力波的观测不仅是证实广义相对论的一种方法，而且对于开辟天文学的分支—引力波天文学也具有实用价值。如果说到目前为止，天文学家已经通过可见光、X射线、红外线或紫外光等扫描了天空，现在他们又有了新的测试伙伴。通过引力波，你可以研究宇宙中一些最高能的现象，如星系碰撞、黑洞或超新星爆炸的现象。幸运的是，因为它们离我们有数百万光年远，所以黑洞暂时还不会吸走我们。

.32.你属于理科，还是文科？

我敢肯定，你曾经很多次被问过“你是属于理科还是文科”。甚至，你可能自己也这样回答过：“我是文科的，所以千万别让我算咱们晚饭的账单。”“我是理科的，我可不愿意回答什么艺术和文学的题目。”

上述回答很常见，因为人类是如此热衷贴标签的生活方式。甚至在科研机构中，也已然形成了两个截然不同的群体：一群人热衷于研究自然规律及其特性，并且试图推动科技工具的进步；另一群人则醉心于人类世界，关注人类的思想、历史以及语言，并从事人文与艺术创作。这是两个有着不同主题和方法论的知识领域，尽管科学方法的成功能促使人文学科变得更加科学化和数学化，但这并没有完全实现，毕竟经济学、历史或人类心理等人文学科比自然要难预测多了。

1959年，英国物理学家、小说家C.P.斯诺在剑桥大学评议会大楼发表了题为《两种文化》的著名演讲。在这次载入史册的演讲中，他提到了这种发生在理工科学生与人文科学生之间的分裂。斯诺认为这种缺乏沟通、缺乏多学科性的现象，在人类未来面对挑战时，可能会带来诸多问题。必须指出的是，斯诺的演讲内容并不完全公正，因为他把物理学家描绘成了进步的英雄斗士，而把作家和停滞不前的传统文化之间几乎画上了等号，认为他们同任何进步都背道而驰—事实上，由于他的介入，人们的争论产生了有价值的成果，但这不是问题的关键。

确实，人文学派和科学学派的人并不理解对方，甚至根本不愿意试图去理解。形容一个人“有文化”，通常同人文学科而不是科学学科的知识联系在一起，比如说，当一个人不知道法国大革命或堂吉诃德的某些基本事实时，人们会认为他没有文化。然而，如果一个人不知道牛顿定律或热力学第二定律—构成我们这个世界的自然基本定律—的含义时，人们并不会认为他很无知。但是，必须承认的是，“科学也是文化的一种”。

许多年来，科学在媒体报道中并不占据多少篇幅，然而也有好消息：近年来，主流媒体似乎更加关注科学及其结果，公众对这些信息的要求也越来越高。我突然想到，这种兴趣的产生或许可以归因于我们正被卷入技术革命之中，它让人们产生了探索现代奇迹的欲望—这些奇迹是如何被发明出来的，以及这些奇迹背后的科学原理究竟是什么。

也许这种繁荣是为了弥补西班牙和世界上许多其他国家所遭受的传统科学文化的匮乏。西班牙科学技术基金会（FECYT）经常调查社会对科学的认识，以了解人们对科学及科学家的认识与看法。在2017年的第8版的报告中，它带来了好消息：对科学感兴趣的西班牙人的比例从2004年的6.9%上升到2016年的16%，累计增长132%；另一方面，44.2%的受访者认为自己所受的科学教育程度较低或非常低（与之前的47.1%相比有所改善）。

另一个有趣的事实是：尽管我们生活在一个高度科技化而且越来越科技化的世界，但实际上科技领域的从业者并不多。2015年时，欧盟委员会预测：到2020年，欧盟境内将有90万个技术职位空缺。社会对科技类和工程类岗位有着极大的需求，然而却没有足够的年轻人选择从事这些行业，公司也很难找到自己所需要的专业人才，而经济和发展恰恰依赖于这些岗位。人文学科在数字时代也不是一无是处。据专家们所说，人文学科的主要任务之一是引导人类在突破性的技术进步中前进，而不让人们迷失方向。比如说，我们需要技术做什么？如何使其与人类文化的维系相容？如何应对诸如后人类时代、机器人、生态破坏等挑战？

有些人主张建立一种超越这两种文化的第三种文化，如美国出版商约翰·布罗克曼。对布罗克曼来说，现在以及未来的知识分子会从经验和科学的角度来处理人类遇到的所有日常问题（而不是通过分析尼采、弗洛伊德、马克思或法国结构主义的论点）。因此，未来的问题解决者们会来自理工科。这也是进化心理学家史迪芬·平克、生物学家理查德·道金斯和哲学家丹尼尔·丹尼特等人的一致看法。比如说，语言学家、语言科学家与计算机科学家和工程师合作，就可以开发出语音识别应用程序、自动翻译程序、拼写检查程序、搜索中的语义改进程序，以及我们每天使用的数百种应用程序。如果你不相信我的话，那就去找苹果手机的语音助手Siri来问问吧。

简而言之，重要的是停止对科学和人文的分裂，保持对世界上所有东西的兴趣，不管它们是否在你熟悉的领域内—物理学家会对历史感兴趣，语言学家会对生物学感兴趣。正如斯诺所说，这样，人类将会有更多的技能去面对将来可能出现的问题。我的建议是，你要对你周围的一切都感兴趣，无论是自然现象还是人文现象。当别人问你来自理科领域还是文科领域时，你完全可以回答：“两者皆是！” 就像你不会在挑选你自己喜欢的颜色时犹豫一样，你也会对文理学科兼收并蓄。

.33.需要几只蜘蛛才能刹住一架波音747？

虽然大多数人都很害怕蜘蛛，但我却很喜欢它们。你可以觉得我是个怪胎，当然也可以叫我蜘蛛人，就像电影《蜘蛛侠》的主角彼得·派克那样。在一次科学展览中，这个小伙子被一只受过放射性感染的蜘蛛咬伤，结果获得了符合蜘蛛特性的超能力，如超级力量、超敏捷性、蜘蛛感应，以及像蜘蛛一样能在墙上行走。最终，彼得·派克成为漫威的超级英雄，打响了自己的名头—蜘蛛侠。漫威的老板斯坦·李是一个喜爱在自家电影中客串的人，他作为编剧，和漫画家史蒂夫·迪特科一起打造了蜘蛛侠系列。或许是蜘蛛侠的设定引起了害羞的青少年，甚至是怪胎们的共鸣，自从1962年这一形象首次出现在《惊奇幻想》第15期开始，蜘蛛侠便受到了人们难以置信的欢迎。我甚至在自己的科学视频中也用过蜘蛛侠的例子来解释单摆现象。不过，我必须把这几部电影重新再看一遍，因为我压根儿不记得那句对我的教学视频至关重要的话出现在第几部里。我发现墨菲定律确实是不可阻挡的，因为我并没有按顺序去看那几部电影，所以直到看到最后一部时，我才找到我需要的场景—两个可能来自物理系的学生，一边漫步校园，一边讨论着蜘蛛侠的重量，其中一个说：“得了吧，你明明知道摆球的质量根本不会影响摆动的速度。”

让我们回到蜘蛛本身以及和它有关的科学中来吧。蜘蛛属于蜘蛛目下的蛛形纲，和蝎子或螨虫一样同属节肢动物。当然，如果螨虫能更大一点的话，可能也会有属于它的末日电影了。至今，已有多达46500种蜘蛛被确认，而且其中许多蜘蛛都具有令人惊讶的特征。

科学逸事：英国广播公司（BBC）曾在2014年发表了一篇文章，推测当人类具备蜘蛛的技能（就像蜘蛛侠一样）时可能完成的伟大壮举。例如：一个蜘蛛人在天花板上走的同时，还能举起170倍于他体重的东西，也就是说，他能举起一辆正穿过伦敦市中心的双层巴士；蜘蛛人还可以跳跃50倍于他自身的长度，这相当于跳跃一个足球场；至于速度，蜘蛛人每秒能跑70倍于自己身长的距离，也就是说，他的速度是牙买加运动员尤塞恩·博尔特的10倍。然而，博尔特已经是世界上跑得最快的人，保持了多项世界纪录，拥有8枚奥运金牌和11个世界冠军头衔。“闪电”博尔特100米跑的纪录为9.58秒，200米跑为19.19秒，这已经十分惊人了，但如果哪个人有蜘蛛的能力的话，只需要一秒钟就可以跑完100米了。

最令人惊奇的，还并不是蜘蛛的体育才能，而是它们能够制造出一种坚韧的蛋白纤维，也就是我们常说的“蜘蛛网”。很多年前，科学家和工程师们就已经开始研究这种极为独特的材料，试图发现其新的用途。当然了，并不是所有的蜘蛛都会织网，只有那些视力很差的织布工蜘蛛才需要编织出一张网，方便自己捕猎进食。蜘蛛网有多么牢固呢？铅笔厚度（70毫米）的蜘蛛丝可以让一架飞行中的波音747停下来，它的强度是钢铁的五倍还多，几乎是凯夫拉防弹衣的五倍了。精准到数字的话，按一个蜘蛛丝的厚度是1微米，也就是千分之一毫米来算，只需要70000只蜘蛛就足以让我们的波音飞机停下来。谁还会说蜘蛛丝看起来很脆弱呢？

除了让飞机停下，蜘蛛丝的生物相容性也使其在生物技术、再生医学、可吸收手术缝合线或细胞培养方面都具有潜在的用途。人们还在研究其他可能的用途，以提高电池的效率和耐用性，从而应用于智能手机或平板电脑中。不过，确切地说，蜘蛛侠的蜘蛛网本身并不是一种超能力，他是依靠自己的科学知识才设计制造出著名的蛛网发射器。谁还敢说物理课和生物课没用呢？

蜘蛛的纤维除了能够用于织网外，还有很多别的用途，如筑巢、繁殖、攀爬、空飘、潜水钟（适用于生活在水下的水蛛）、运动传感器，甚至食物—当没有其他东西可吃的时候。蜘蛛的空飘行为也被称为“气球飞行”，在某种程度上类似于人类所做的滑翔伞训练。蜘蛛有着既能随风飘荡又能粘牢猎物的蜘蛛网，所以它们能够远赴几十公里外的海岛进行“殖民”，以求得生存，并让蜘蛛这一物种散播各地。1883年，喀拉喀托火山喷发，几乎完全摧毁了这座位于爪哇和苏门答腊岛之间的小岛。七个月后，登岛的探险者们发现的第一种生物便是蜘蛛—它们很有可能就是通过空飘的方式到达这座小岛的。

让我们从蜘蛛谈回蜘蛛侠。蜘蛛侠的存在有什么科学原理吗？首先，我们来看下蜘蛛侠的爬墙能力。在电影中，我们看到这位超级英雄的手指上长出了小刺—尽管严格来说，我们并不确定这些小钩子是否足以让他爬上墙。那蜘蛛又是怎么做到这一点的呢？答案是通过所谓的“范德华力”。蜘蛛，又或者是蝾螈、蜥蜴等，脚上长满了成千上万的细小刚毛，在与墙壁表面分子近距离接触时便会产生“范德华力”，使它们能够在墙壁上爬行。粗略地讲，“范德华力”的产生是由于分子的正电荷和负电荷并不总是均匀分布，并且在不同的分子中会产生短暂的正电荷和负电荷区，从而相互吸引。这些力虽然很微弱，但是当有大量的分子同时运动时，效果就会成倍增加。

现在，借鉴我们在第20章中已经介绍过的二次立方定律，能够产生“范德华力”的表面所占身体的比例，应当取决于攀登者的体重—这是很合乎逻辑的。对于蜘蛛来说，它们的重量很轻，仅仅依赖爪子的微小表面就足够了，而人类如果想要依靠“范德华力”在墙壁上行走，40%的皮肤上都必须要长满刚毛—或者，根据剑桥大学的研究，有一双145码（即132.588米）的脚也行。

至于蜘蛛的感官—多亏了这一点，彼得才摆脱了自己的眼镜—它的四对眼睛可以向不同的方向聚焦，从而留心观察周围的一切。尽管蜘蛛通常都是近视眼，但跳蛛的视网膜上有四层感光细胞，因此拥有动物王国最好的视力。大多数蜘蛛，尽管没办法看清东西，但它们浑身的毛发，尤其是脚部的毛发，都对振动以及空气流动十分敏感，这些毛发能让它们感受到那些即将到来的危险并做出反应。这就是蜘蛛侠所拥有的、著名的蜘蛛感应。

我想起了一句话，“所有的力量都意味着要肩负起巨大的责任”。仔细思考一下，然后回答，你会选择保留哪种超能力呢？

我把“需要几只蜘蛛才能刹住一架波音747？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@SirHadouken: 对一个有蜘蛛恐惧症的飞行员来说，只需要在他的机舱里放一只蜘蛛就够了！

@Ayos_Nexz: 蜘蛛侠算吗？

.34.风力发电机和霹雳车之间有什么共同点？

当下属于你们，而我所致力于研究的未来属于我自己。

—尼古拉·特斯拉

风力发电机与霹雳车有一个共同点，那就是都和一个叫迈克尔的人有着关联，但这个迈克尔并不是驾驶着霹雳车KITT的迈克尔·奈特[ 迈克尔·奈特：20世纪80年代美国电视剧《霹雳游侠》中的一个虚构人物角色。KITT是迈克尔·奈特所驾驶的黑色霹雳车的简称，该车由人工智能导引。]，而是19世纪的迈克尔—英国的迈克尔·法拉第，历史上最重要的物理学家和化学家之一（据说爱因斯坦在自己的办公室里挂了法拉第的画像，就在牛顿和麦克斯韦的画像旁边）。多亏了法拉第，这些奇迹才变得让人习以为常。例如：按下开关，灯就亮了。

法拉第是一位没有得到应有赞誉的天才。在他的诸多贡献中，他发现导电材料在磁场中移动便会产生电流，这种现象称为“电磁感应”。这种现象基于闭合电路中的电压（单位为伏特）与内部磁通量变化的速度成正比。这种电压，以及它所带来的电势差，就是产生电流的原因。电流在我们所有设备的电路中循环，因而，只要磁铁中的磁通量随时间而变化，即使不插电，也会产生电流来驱动这些设备，这就是电磁感应的功劳。这一现象的重要性在于，在它的多种变体中，它是一种非常有用的产生能量的方式，是风力发电机、直流发电机、水力发电机、交流发电机等设备的基础。

流行小知识：电视剧《迷失》的编剧一定知道迈克尔·法拉第，因为该剧主要人物之一就叫丹尼尔·法拉第，这并不是巧合。例如：这位主角是所有主角里最聪明的人，他是牛津大学的物理学博士，而他的母亲在他毕业时还曾送给他一本法拉第日记。作为一名优秀的物理学家，他发现了几个事实，这些事实与一个在岛上的旅行者相对于另一个在外面的旅行者所经历的时间膨胀以及导致光不能正常膨胀的长度收缩有关（当然，这正是爱因斯坦的理论贡献)。由此，丹尼尔开始怀疑岛上的能量扭曲了时空，创造了虫洞，从而实现了时间旅行。如果你还没有看过这部剧，我就不多说了，我不想剧透。我只给你们讲他的一句台词：“我们所做的一切都已经发生在未来。无论你尝试做什么都无关紧要。发生的事情已经发生了。”编剧们太棒了……嗯，除这部剧的大结局之外。当然，这样的结局也不能说不好，人无完人嘛。

发电机成为在磁场中运动的导体。它是一个电机，电机能够将动能转化为电能。法拉第的发现永远地改变了世界，带来了电力生产的时代。如今，人们能够烤面包，看电视，打开空调或使用电脑。

科学逸事：1855年春天，法拉第在一场讲座上介绍他对于电磁本质的理解，而时任英国财政部长、此后四次出任首相的威廉·格拉德斯问他这些发现是否具有实用价值。“别担心，”法拉第回答，“总有一天政府会对它征税的。”如今，电费、电的税费，以及家庭无法用电时产生的所谓的“能源贫困”，经常占据媒体和公众辩论的很大篇幅。

让我们回到风力发电机。正如法拉第指出的那样，产生能量的方法是在磁场中移动导体或在导体附近移动磁铁（这种方法更普遍）来产生可变磁场。然而，在风力发电机的例子中，这并不完全正确。首先，是什么使得风力发电机的叶片移动？是风。我们都知道，能量既不能被创造，也无法被摧毁，它只能被转化。因此，风力将磨机的叶片向圆周方向移动，产生动能，而动能又将导体所在的转子带动，使它围绕中心的一块固定磁铁（定子）旋转。在水力发电机的例子中，原理是一样的，水的力量使得涡轮机移动。而在火力发电机中，则需要燃烧煤或天然气等燃料来产生蒸汽，再由蒸汽推动这个改良自两千多年前人们就设计出的蒸汽转球式的涡轮机。核发电机的工作原理也是一样，只是加热水所需要的能量是从所使用材料的核能中获得的，这些核能存在于裂变的原子核中（通常是铀235或钚239）。简而言之，根据法拉第定律，我们可以收集河流、风能或其他燃料中的能量，并将其轻易地转化为电能。

凡人亦英雄：亚历山大港的希罗是公元1世纪的一名工程师和数学家，被认为是古代最伟大的发明家之一。他的诸多成就中最伟大的便是发明了历史上第一台热机—蒸汽转球，一种空心金属球体，可带动装有两根弯管的锅炉垂直旋转。一旦球体内部的水升温至沸腾，随之产生的蒸汽就会从管道中流出，使球飞快地旋转。起初，人们仅仅把蒸汽转球当作孩子们的玩物，但很久以后他们才意识到自己掌握着历史上最重要的发明之一。继希罗之后，在18世纪，萨维利、胡克和纽科门相继开发了不同的热驱动机器，最终启发了詹姆斯·瓦特改良蒸汽机。这标志着工业革命的开始，人类自此改变了自己的命运，瓦特[W]也被用作国际电力单位。

不同形式的能源生产的区别还在于生态成本和废料。水和风是清洁的可再生能源，但燃烧天然气和煤炭会向大气中排放二氧化碳，从而加剧温室效应。至于核发电机，对地球可能造成的毁灭性影响是加倍的，因为它们尽管效率更高，产生的能量也更大，但留下的危险放射性废料必须被掩埋长达几个世纪之久。幸运的是，核电站的工作人员和科学家往往要比荷马·辛普森[ 在动画片《辛普森一家》中，荷马·辛普森是斯普林菲尔德核电站的安全检查员。]更为负责。因此，核泄漏通常很少发生。如果事故一旦发生，其对环境的灾害将是极其严重且不可挽回的。只要记住1986年苏联切尔诺贝利和2011年日本福岛核电站这两场人类历史上最惨重的环境灾难就够了。

人类面临的最大挑战之一是如何解决上述问题，即如何以一种安全、尊重地球的方式生产能源，从而满足社会日益增长的能源需求。

在这一切中，霹雳车是什么样的呢？和所有的汽车一样，它的交流发电机能够利用车轮的旋转来发电，给电池充电，让汽车里的所有电器都能正常运转。更炫酷的是，霹雳车KITT装载了人工智能操控的电脑，不仅比迈克尔聪明得多，还能说话或启动涡轮增压，多亏了这一点，霹雳车能够完成令人难以置信的跳跃，让所有人都惊掉了下巴。

AC/DC（不，我可没在说澳大利亚传奇摇滚乐队AC/DC乐队）是交流电/直流电的英文缩写，电的发现决定了19世纪末期的商业趋势。多亏法拉第，我们知道了如何发电，但接下来的问题来了：电的储存和分配。这引发了两个杰出人士之间的一场巨大的斗争：托马斯·阿尔瓦·爱迪生—一位商业大亨，以及尼古拉·特斯拉—我心目中的英雄之一。

爱迪生是美国通用电气的创始人，摩根大通的合伙人，也是当时最具影响力的百万富翁之一。他所建立起的电力运输系统是基于直流电的，这十分昂贵，并且热量损耗严重。相反，由西屋电气支持的特斯拉的输电系统是基于交流电的，不仅降低了成本，而且电压越高，传输所需的电流就越低。也就是说，相同的功率下，交流电系统会有更低的损耗。

在两人斗争最严重的时候甚至出现了这种情况，爱迪生发明了使用交流电的电椅，并且在马戏团的节目中使用，用它来电死各种各样的动物，甚至包括大象（可怜的动物啊，它们又做错了什么呢？我简直要受不了爱迪生了），企图让公众相信特斯拉的交流电系统是极其有害、致命的。勇敢的特斯拉别无选择，只能亲自用肉身触碰交流电插座，当然，这不会对他造成任何伤害。就这样，结束了当时媒体所称的“电流大战”。

特斯拉一直致力于通过自己的发明让人类生活得更好。他还是日光灯、遥控器、无线供电、雷达的理论原理和许多其他的惊人创造的发明者。他甚至是无线电的发明者，首次公开展示了无线电广播。1895年，意大利科学家马可尼为无线电发明申请了专利，夺走了属于特斯拉的荣誉。当被问起这件事时，特斯拉回应道：“我不在乎他们是不是偷走了我的想法，我只担心他们没有自己的想法。”我不明白为什么这样一位超越时代的天才却迟迟没能得到应有的认可。直到1960年，美国最高法院才认定特斯拉的无线电专利有效。虽然这正义迟到了很久，但总比什么都没有强吧。

1943年，特斯拉在临死前预言：“一个小成本的工具，比闹钟还要小，将会允许人们在任何地方听到音乐、歌曲或者遥远地方的政治领袖的演讲，不管是在海上或是在陆地上。同样的，任何的漫画或者印刷品都可以从一个地方转移到另一个地方。”他在说互联网，还是智能时钟？我只能说，他确实是个天才。

现在，火车和公共汽车都在使用交流电，为了能够重新利用空调、照明系统甚至插座中的能量—这样，你就可以给你的智能手机充电。我小时候用过一辆自行车，它并不像迈克尔·奈特的霹雳车那么神奇，但它有一个交流发电机—是根据法拉第定律工作的。那个小装置把轮子的旋转变成电流，点亮我的车灯，为我照亮夜间漫游的道路。我们把它误认为法拉第自己发明的发电机，但是事实上，它只是把交流电转化为直流电，和我们所有的小玩意一样。这就是为什么每个小电器都有自己的小变压器，无论是在内部或外部，因为电流到达我们的家的形式是交流电，而交流电不能被直接使用。

尽管如此，无论是迈克尔·法拉第，还是交流发电机，又或是我的自行车的前灯，都没能让我少摔几跤，或者少挨我母亲的一顿臭骂，至今想起来，我依旧觉得膝盖隐隐作痛。但是，谢谢你，迈克尔·法拉第。

我把“风力发电机和霹雳车之间有什么共同点？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@Tomas F M. Ac: 它们都要花很多钱，然而在现实中并没什么用。

.35.科学不只是男孩的事

我是一个高于一切的女人。

—海迪·拉玛

如果你打开一本科学著作（当然，也包括我这本），你可能会发现：书中很少出现女性科学家的名字，那些最引人注目的发现和论证似乎都是由男性完成的。毫无疑问，这并不是因为男性更适合从事科学事业，而是因为几个世纪以来，社会并不允许女性出现在公众视野中，更别提进入大学学习，或者从事研究工作。如果有哪位女性获得了成功，那一定要归功于她不懈的努力、非凡的天赋以及一些必要的运气。

如今，在西班牙，进入大学学习的女性已经超过男性。据西班牙教育、文化和体育部统计，女性学生约占到总数的54%。然而，女性在关键职位上的占比依旧较低，且该比例随着职位重要性的上升而逐渐下降。比如说，女性只占到讲师群体的40%，教授群体的20%，且几乎没有女性校长。然而，仅从我个人的经验而言，在我20岁出头的学生中，女生往往是最聪慧的，而当我成为一名工程师时，我最优秀的同伴大多也是女性。此外，我是一名有着一个女儿的父亲，所以我对这个现象特别敏感，并且努力为女性谋求和男性相同的机会。这也是为什么我一定要写这一章来铭记科学史上的杰出女性，并且尽我的微薄之力，纠正人们荒谬的性别偏见。

希帕提娅是首位有据可考的杰出女性科学家。许多书籍中都记载了她的生平，甚至亚历桑德罗·阿曼巴还将她的故事搬上了银幕，拍摄了《城市广场》，并借鉴了卡尔·萨根所制作的系列纪录片《宇宙》中对古希腊人的刻画，力图还原希帕提娅的真实形象。希帕提娅是一位希腊数学家和天文学家，属于亚历山大新柏拉图学派。她的死十分戏剧性—因为她没有皈依基督教，狂热的宗教分子便认为她用异端的魔法迷惑了民众，因而将她毫无人性地屠戮致死，就像处死女巫一样残暴。她的科学贡献包括帮助父亲修订了托勒密的《天文学大全》和欧几里得的《几何学原本》，发现了二次曲线的几何性质，发明了天文仪器、水蒸馏装置、液体比重计和气体比重计等。

流行小知识：几个世纪以来，人们总以异样的目光打量着在科学领域脱颖而出的女性。由于她们的特立独行，比如往往倾向于独居而并非组建家庭，人们便谴责这些女性违反了当时的社会传统，甚至将她们指控为女巫，并且在多数情况下对她们处以火刑。五百多年来，欧洲有成千上万的妇女被迫害致死。在那个年代的西方童话故事中，女巫也成为邪恶力量的代表，不过，电影《沉睡魔咒》让我们知道了女巫也可以是好人。

如今，“猎杀女巫”一词的含义扩展至所有由于社会或政治偏见而进行的不加区别的迫害，就像在冷战时期，参议员麦卡锡对任何不认同美国资本主义理念的人都进行了不加区别的迫害，指控他们为苏联特工和共产主义者。我推荐你去看看乔治·克鲁尼编导的《晚安，好运》。当然，你可千万别指望在这部电影里能看到提着手提箱、准备去杀人的特工，拜倒在主人公脚下的邦女郎，或者你追我赶的飙车戏码。

历史上对女性的歧视与迫害导致直到19世纪，做出杰出贡献的女性科学家依旧寥寥无几。这其中，玛丽·居里，作为首位获得两项诺贝尔奖的人，在科学史上留下了浓墨重彩的一笔。1903年，由于对放射性物质的发现，她与丈夫皮埃尔·居里和亨利·贝克勒尔共同获得诺贝尔物理学奖；1911年，由于发现元素钋和镭而再次获得诺贝尔化学奖。除了遭受公众舆论对女性科学家的一贯质疑，居里夫人的情感生活也受到了诟病。当丈夫皮埃尔因事故去世后，她同一位已婚的著名物理学家保罗·朗之万传出了绯闻。她写道：“我不能接受对私生活的诽谤和污蔑会影响到我科学研究的价值。”

和居里夫人同时代的还有一位女数学家米列娃·马利奇。作为当时苏黎世联邦理工学院唯一的女学生，1896年，她在这里遇到了自己未来的丈夫—相对论之父。无疑，爱因斯坦是位伟大的科学家，但在丈夫和父亲的角色上并不算合格。《国家地理》杂志的《天才》系列文章中曾经披露，爱因斯坦终日沉迷于科研，根本无暇顾及家庭，这段婚姻也由此以失败告终。许多学者都指出了她为爱因斯坦在其“奇迹年”所提出的狭义相对论、光电效应和布朗运动的研究所做出的贡献，从而帮助他获得了诺贝尔奖。在和朋友海伦·考夫勒的通信中，马利奇写道：“我们最近完成了一项非常重要的工作，这会令我的丈夫举世闻名。”

著名诗人拜伦的女儿埃达·洛夫莱斯是历史上首位女性计算机程序员，也是计算机科学的先驱之一。查尔斯·巴贝其曾设计了一台计算机分析机，这也被认为是最早期的计算机雏形，而埃达则为该分析机编写了算法，尽管最终这台分析机并没有被真正制造出来。洛夫莱斯是第一个编写通用编程语言的人（如“循环”或“子例程”等基本概念），并且提出用算法或使用穿孔卡对机器进行编程，这种方法后来在第一批计算机比如ENIAC中得到应用。

女性在天文学中也发挥了极其重要的作用。天文项目往往要依靠许多人的帮助来进行烦琐的计算和操作，这也促使女性作为首批计算员在科学界崭露头角。天文学家爱德华·皮克林在担任哈佛大学天文台台长期间，共招募了80名女性工作人员，她们也被戏称为“皮克林的后宫”。第一位加入的女性是这位天文学家的女仆，威廉敏娜·弗莱明，月球上的弗莱明环形山正是以她的名字命名。此后，这个小组又招募了许多来自不同国家的女性从事这类工作，比如进行复杂的计算，研究天文照相底片，并处理天文研究中产生的大量数据。

一些女性天文学家也选择加入皮克林的小组工作，尽管她们已经获得了大学学位，如多萝西娅·克伦普克、安妮·格朗普·坎农、安东尼娅·莫利和亨丽埃塔·莱维特。亨丽埃塔·莱维特研究了造父变星的星体亮度变化，并且在麦哲伦星云中发现了许多颗变星。她的工作使得后人得以计算这些星体同地球间的距离，这也是天文学的基本问题之一。多亏了她的成就，我们才得以证实宇宙有多么的浩瀚无边。

离我们所处的年代不那么遥远的是，1943年出生于贝尔法斯特的乔斯林·贝尔和她的论文导师，英国人安东尼·赫维希，一起发现了第一颗脉冲星。贝尔发现了一个以每秒一次的频率跳动的脉冲信号，她把它称作“小绿人1号”。这种持续不断的辐射似乎是外星文明的杰作，但后来被证实它是一个快速旋转的脉冲星。1974年，她被单独授予诺贝尔物理学奖，这引起了广泛的争议。

凡人亦英雄：美国女性薇拉·鲁宾（我会在最后一章好好介绍她）是研究星系旋转现象的先驱，并在某种程度上为暗物质的发现提供了有力的证据。暗物质的神秘影响被认为是造成星系脱离预期轨迹旋转的原因。暗物质并不发射任何形式的电磁辐射。预计占到宇宙的27%以上的暗物质也有它浪漫的一面，《星球大战》中，与原力黑暗势力作战的莱娅公主凯丽·费雪在2016年底，也就是在薇拉去世的两天后，也离开了我们。愿原力与她们同在。

其他著名女性包括数学家索菲·日耳曼、物理学家莉斯·迈特纳、数学家艾米·诺特、晶体学家罗莎琳·富兰克林，以及灵长类学者珍妮·古道尔我们没办法一一列举所有的成功女性。幸运的是，如今女性已经能够正常地融入大学或科研中心，不过遗憾的是，在管理岗位上可能没有那么多的女性职位。

流行小知识：我本身是一位电信工程师，也十分敬佩这一领域的先驱。我不清楚是否是出于这个缘故，才让我对海蒂·拉玛的故事感到无比震撼。她的前夫是阿道夫·希特勒手下的军火和战斗机供应商。在勇敢地逃离前夫的控制后，海蒂·拉玛从家乡奥地利一路奔赴美国，并且成为公认的、美丽的好莱坞女演员，甚至还曾拒绝在影片《卡萨布兰卡》中饰演伊尔莎·隆一角。但这些都不是我觉得她很传奇的原因，她的独特魅力在于，她是扩频技术的共同发明人，这项技术使远程无线通信成为可能，并且能够用于制造敌人无法检测到的无线电控制鱼雷。让我来解释一下，扩频是一切现代通信的基础，包括蓝牙和Wi-Fi—是的，Wi-Fi，我们没有流量时无比渴望的Wi-Fi。可以说，这个女人完全超越了她所处的时代。在她的一些精彩语录中，有一句话总结了她迷人的个性：“我并不惧怕死亡，因为我不会惧怕任何我不理解的东西。”11月9日的世界发明家日便是为了纪念海蒂·拉玛。

诺贝尔奖得主的数据却年复一年地持续显示出不平等的现象。在物理领域，205位获奖者中仅有2名女性；在化学领域，174位获奖者中仅有4位女性；而在医学领域，202名获奖的科学家中只有12位女性。对我们这些普通人来说，想要改变这种现象还有许多事情可以做，家长和老师，以及电影、文学、电视、权威机构都应该向前迈出一步，做出改变。我们需要更多的女性科学家，而不是更多的公主故事。

.36.南北磁极倒置的话会发生什么？

地球是一个巨大的磁场，有着阳极和阴极。事实上，它所产生的磁场在地球上的任何地方都能探测到，其强度在25到65微特斯拉[ 特斯拉：国际磁力测量单位，符号为T，为纪念尼古拉·特斯拉而命名。]之间。这是一个非常弱的磁场，但足以让罗盘自己打开，指向磁北极（稍后我们将看到磁北极与地理北极并不相同）。此外，一些动物物种利用这种微弱的磁场来辨别方向，甚至用它来确定自己每年的迁徙路线。不过，除了确定方向，地球磁场还有其他作用，没有它，我们可能无法生存。

磁场会在行星周围延伸形成磁屏蔽，我们称之为“磁层”，它能够阻止太阳风的长驱直入。在太阳的最活跃期，太阳会喷射出高速带电的质子、氦原子核和其他元素，同时产生大量的太阳耀斑，突然强烈释放出的电磁辐射能够使这些粒子加速，甚至使其接近光速。这些高速的带电粒子将对人类造成有害且致命的影响，但幸运的是，地球磁场的存在能够将这些粒子推向地球的地理两极。当这些带电高能粒子与高层大气相互碰撞时，就会产生大自然所能提供给我们的最美丽的景象之一—极光，就像在夜幕中绘制画卷一般。

19世纪时，人们发现神秘的太阳黑子每隔11年就出现。从那时起，人们便明白太阳黑子就像时钟一般，会按照太阳周期，以恒定而有序的速度运作。和地球一样，太阳也有它自己的磁场，这种磁场由太阳内部的等离子体的运动产生：等离子体在外层（对流层和光球层）和内层（核心和辐射层）以不同的速度运动，这种速度上的差异导致内外层以相反的方向滑动，形成磁场，并产生磁场最强的区域—太阳黑子。太阳黑子出现在太阳极大期，也就是太阳活动最活跃的时刻。

当太阳黑子活动最剧烈的时候，太阳风暴便会出现，这些粒子和极光甚至可以到达低纬度地区，远离两极。比如说，在17世纪时，它们曾经到达过加那利群岛，那里的人们惊慌失措，以为是来自神的可怕预兆。此外，太阳风暴还能造成所有的通信设备的大面积停电或严重故障 。例如：1989年的魁北克大停电，整座城市停电超过24小时。太阳风暴的另一威胁在于它对地球卫星的破坏—很简单，因为卫星更容易暴露在太阳风暴中。

有历史记录以来的最强大的太阳风暴发生在1859年9月初，就是著名的卡灵顿事件。当时，一个极弱的太阳周期恰好刚结束（这或许就是暴风雨来临之前的平静吧）。2017年9月，美国宇航局发现了近十年来最大的太阳耀斑。如果有一天太阳风变得强烈到可以破坏臭氧层（臭氧层可以保护我们免受紫外线的伤害），也就是破坏大气层，那么谁都难逃一死。这简直就是好莱坞末日电影的剧本，我们还是祈祷它不会真的发生吧。

为什么地球是个磁场呢？这仍然是一个有待探索的问题，但不少人相信，在地球3000公里深的液体外核中存在大量的铁和镍，而地球内核保持固态，外核的对流运动，再加上地球的自转，产生了电流，进而产生磁场，这也使大气层和生命得以存在。所有的磁体都有一个北极和一个南极，但是正如我们前面讨论过的，地磁两极与地理两极并不重合—事实上，在人类测量磁极位置的五个世纪里，它们从未重合过。现在，地磁轴和地理轴相差11.5度，所以地磁北极距离地理北极约1000公里。问题在于，地球磁极不是静止的，它每天会移动125米，也就是说，在大约50年后，地磁北极可能会跑到俄罗斯的西伯利亚地区去。磁极移动是由于处于熔融状态的地核在不停且随机地移动。巴黎地球物理研究所的地球物理学家阿尔诺·许利亚认为：地球磁极未来的位置很难预测，因为没人知道地核有多反复无常，更不清楚它是否会很快开始向另一个方向漂移。顺便说一下，如今，地理北极正对着北极星，尽管这只是随机的结果：我们已经在另一章中学到，由于岁差运动，北极星并不总是在那里，也不会永远在那里。

真正重要的并不是磁极的移动，而是有些时候，两极是倒置的，也就是地磁逆转现象，这一点已经在对古代岩石的研究中被证实。自耶稣基督诞生以来，地球磁场的强度一直在下降。由于地磁逆转现象的随机性，我们无法确定下一次倒置会是什么时候，但可以确定的是，在未来，两极会再次颠倒。如果从地质学的角度来看，这个未来不久将会到来（因为数千年的长度在地质变化面前都算不上什么）。上一次地磁逆转就发生在78万年前，从那时起，磁场的强度及其运动都开始逐渐减弱。尽管没有确切的方法来预测，但我们可以畅想下那时会发生什么，以及会有多大程度的灾难到来……注意，我要开始剧透了！

一旦发生地磁逆转，在倒置的磁极恢复原样的这一段时间内，地球的磁场将会消失，也就不再能够保护我们免受宇宙辐射或太阳耀斑的伤害。然后呢，会发生什么？磁层中所含的粒子将会落入大气中，但它们并不会伤害人类，反而会产生壮观的金射线。在这段时间内，借助磁场确定方向的动物会感到困惑无措。此外，通信系统也可能会失灵，从而导致数百万美元的经济损失。但可以肯定的是，并不会有末日灾难出现，也不必恐慌，毕竟大气依旧存在。事实上，磁极已经至少倒置过20次了，而地球上的生命依旧延续着。

.37.怎么在水面行走？

沼泽多令人恐惧啊。当我还是个孩子的时候，我的父母带我去了沼泽地，这让我非常不安。我特别害怕自己会被困在流沙里，身体一点点地被吞噬，自己无能为力。我想大概是我看过太多的“泰山”系列的电影了。不过从那时起，我便对流体世界很感兴趣，因为有些流体是非常罕见的存在。有些流动得很缓慢；有些流体在你击打它们的时候会变得僵硬；在有些流体上，你甚至可以行走。

流体是一种在分子间只有微弱引力的物质，可以在没有任何外力（阻力或是试图恢复其原始形态的力）的情况下改变形状。人们常说流体是以容器的形式存在的，比如说，你把水倒进杯子里，那流体就拥有了杯子的形状；你把水倒进瓶子里，流体就是瓶子的形状。我们日常生活中最常见的流体是水，没有水，生命本身就不可能存在（毕竟人体的70%都是水）。

我们往往用黏度来描述流体的特征。黏度指在外力作用下，流体对流动所表现的阻力。比如说，水的黏性很小，当我们把水从水壶里倒到杯中时，在重力的作用下，水会很顺利地流下来。相反，当我们把蜂蜜从罐子里倒在吐司上时，它流动得很慢，也就是说，蜂蜜是一种非常黏稠的液体，而从罐子到勺子之间的涓涓细流很难被切断。黏度取决于分子间的相互吸引力，吸引力越强，流体的黏性越大。我们也可以讨论黏度近乎零的流体，也就是所谓的超流体，但我们在日常生活中很难看到它们，因为超流体的必需条件为温度接近于绝对零度（几乎所有的元素都会在绝对零度时冻结，但是你可以得到超液态氦，它有着惊人的特性，比如说顺着容器壁向上逃逸之类的）。

基本上，我们可以区分牛顿流体和非牛顿流体，前者的黏度是恒定的，如水、葡萄酒或汽油，而后者的黏度随温度及剪应力的变化而变化，如凝胶、血液或者植物树脂，当这些流体被留在容器中时会保持流动，一旦被外力压缩，则会变成固体。事实上，非牛顿流体最好用它在流变学[ 流变学：连续介质力学的一个分支，专门研究物体的变形与流动。]中的其他的性质来定义，而不是用黏度来定义。举个例子，当你试图在非牛顿流体表面上轻轻、缓慢地行走时，你一定会陷下去，就像掉进了流沙中一样，但如果你以很快的速度行走并且重重地跺脚，你就能毫无困难地越过它。该特性在现实中有着成百上千的应用，比如塑料、胶水、有机硅、尼龙、橡皮泥、防滴涂料，还有防弹背心，它能吸收子弹撞击的能量，但又不妨碍我们穿着它灵活移动。

科学逸事：怎样在课堂上制造出一个非牛顿流体呢？YouTube上有很多相关视频，你只需要将玉米淀粉和水以3 : 2或者4 : 2的比例混合，就能成功地制造出既便宜又无害的“欧贝克”[ 在儿童故事《巴塞洛缪与欧贝克》中，主角需要将他的王国从一种叫作“欧贝克”的黏性物质中拯救出来。]，你可以慢慢、轻轻地把手伸进容器里，检查手是否能像浸入水中一样浸入非牛顿流体中。接下来，你可以试着用锤子或者拳头猛击流体表面—千万要小心，别伤到自己—因为你的手或锤子会反弹，别忘了好好观察自己惊讶的表情。

类似地，你可以在这种流体上面行走而不会下沉，但又无法在上面静立，当然，除非你是耶稣基督—圣经故事里记载，耶稣可以在属于牛顿流体的水面上行走。顺便说一下，在电视科普节目《蚁窝》或电视剧《生活大爆炸》中都用非牛顿流体做过类似的实验。几十年前，我玩过一种绿色的鼻涕胶，它确实是一种介于液体和固体之间的物质—虽然当时的我并不知道。

相反，有些流体在受到外力时，并不会固化，而是更加液化。番茄酱和酸奶都是很好的例子，当你搅拌它们或者把它们从容器中倒出来时，它们会更容易流动。颜料也是个很好的例子，当用画笔或油漆刷挤压时，颜料会更容易涂抹在画布或墙壁上，但之后又会变得更固体化，这正是我们想要的。只要施加一些外力来克服内部的相互吸引力就足够了。

你也可能见过蛇怪蜥蜴、蜘蛛和其他能够在水上行走或停留的昆虫。但是，既然水是一种黏度恒定的流体，怎么可能会出现“水上漂”现象呢？这涉及另一个概念—表面张力。

由于分子间的内聚力，液体的表面就像一块不容易断裂的弹性帆布，而这个把表面连在一起的力就是我们所说的表面张力。如果我们想把食指伸进一杯水中，我们必须施加一个很小的力来克服水的表面张力。对人类而言，这种力微乎其微，我们根本感觉不到，然而有些昆虫很轻，它们无法用自己的体重打破这种张力，这就是为什么它们可以栖息在水面上，就像我们能够站在沥青地面上一样。蛇怪蜥蜴（也被称为“耶稣蜥蜴”） 能够以极快的速度在水上行走，正是利用了水面的表面张力特性。

表面张力还会造成其他可见现象，如液滴的球形。这是一种自然界中需要最小能量来维持的几何形状，因此当两个球形液滴聚集在一起时，它们立即会变成一个更大的球形液滴。如果有时水滴呈椭圆形，比如从水龙头里流出的水滴，那就是由于重力的作用。要知道，地球上的任何物体都无法逃脱重力对它们施加的作用。

我把“在水上行走是可能的吗？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@redex: 只要水坑不是很深的话，当然有可能。

@Angel_Agudo_: 如果能把水冻起来，别说走路了，就连滑冰我都能做到。

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@Божидар Фильов: 当然可以—如果你是耶稣、魔术师迪纳摩、国家地理杂志里的蜥蜴，或者把水冻上。认真点答题的话，人类的重量太大了，脚底板又不够大，没办法在液体状态下的水面上行走。我希望能有一些疯狂的科学家正在研究让人可以在水面行走的发明。

@Jony Romero: 你漏了闪电侠和悟空。

@Mery Riba Senar: 如果你住在Hoya de Huesca地区的Aguas（“水”的西语表达）小镇的话，是可以在“水”上行走的。

.38.地球为什么会变暖？

土地上结出的果实属于所有人，可你忘记了土地不属于任何人。

—让-雅克·卢梭

以全球变暖和温室效应为代表的气候变化是当今人类面临的最重要挑战之一。我们经常在新闻中听到这个词，比如说，环境组织警告我们所面临的灾难，一些公司也在宣传它们如何努力减少二氧化碳排放，政治家也通过辩论和采取措施来避免它，尽管措施永远不够。我们被迫接触到了很多信息，但我们很少谈论科学方面的问题，比如，为什么会发生气候变化？

众所周知，地球是一颗围绕太阳公转的行星，而太阳是一颗中等大小的恒星，通过核反应将氢转化为氦来产生能量。这些能量以辐射的形式穿过太空，经过8分19秒后到达我们的星球。地球所接收到的能量中，有一部分会被云层或极地冰冠等白色反射表面反射，这就是陆地反照率，在这一过程中，会有37%～39%的热量被反射回太空。其中，雪地能够反射86%的光，明亮的云能够反射78%，相比之下，海洋只能反射5%到10%，森林反射8%。可以说，地球的反照率越高，它的热量就越低。出于同样的原因，西班牙安达卢西亚村庄的传统做法是将房屋漆成白色。因此，在夏天时，房屋能够反射大量的光线，而不至于被烤得过热。

其余那些没有被反射的能量则被地球吸收。虽然被地球吸收的大部分是可见光谱频率的光，但地球会以其他频率，即红外线的频率重新发射光，并在理论上使其返回太空，从而维持地球的热平衡。然而，有一些东西阻碍了它们到达太空—温室气体，其组成成分主要是二氧化碳，但也包括水、臭氧、甲烷或氮氧化物。二氧化碳分子，由于其自身的分子性质，能够精确地吸收这些红外频率，并重新向大气和地球表面释放能量。之所以这种现象被称为“温室效应”，是因为其原理与用于农业的温室相似，温室的温度可以保持在高于周围环境的水平，从而使植物或蔬菜得以持续生长。

因此，温室气体的存在使地球不能把它接收到的部分能量返回到太空，而地表也会因此变暖。适量的温室气体是必要的：倘若没有它们，地球的平均温度将会是零下18摄氏度，生物的生存会变得尤为困难，而多亏了温室气体，地球的平均气温达到了15摄氏度。然而，过量的二氧化碳会导致气温过度升高，这正是令人担忧的全球变暖问题。正如科学界所证实的那样，这种温室气体过剩是由人类活动造成的—不使用太阳能或风能等清洁能源，而使用煤炭、天然气或石油等化石燃料产生的废热，更不要说还有工业和排气管排放的二氧化碳。自18世纪末的工业革命以来，大气中二氧化碳的浓度已经增加了40%。

政府间气候变化专门委员会（IPCC）是一个致力于评估气候变化进展并提出解决方案的国际机构，有数百名科学家和专家参与。IPCC有95%的把握证明，气候变化的主要原因是人类排放的温室气体。然而，有一项引人注目的反对运动则认为气候变化是一个和人类活动毫无关系的自然过程，甚至认为不必将气候变化视为消极的变化。这些反对运动的参与者往往是利益相关方，如那些不愿减排的公司，常常收买一些不道德的科学家，传播一些错误的观点（就好比烟草公司会聘请专家否认香烟的负面影响一样）。这是科学活动中最悲哀的方面之一。你不必相信他们。我强烈推荐一部纪录片《贩卖怀疑的商人》，它谴责了这些欺诈行为。另一部纪录片《不愿面对的真相》在传播气候变化的威胁方面是无价的，它关注了美国民主党前总统候选人阿尔·戈尔反对全球变暖的活动，我也十分推荐。这部片子拍摄完成的一年后，戈尔和IPCC共同分享了诺贝尔和平奖。

自从工业化开始以来，地球的平均温度已经上升了近1摄氏度，而且过去30年中的每一个十年都比上一个十年要热。根据一些计算，到2036年平均气温将上升2摄氏度，这将是一个灭顶灾难，这就是为什么我们面临的挑战是将气温保持在这一极限温度之下。《京都议定书》是一项减少排放的国际协议，已被世界上大多数国家签署和批准，然而温室气体的主要排放国美国还没有批准该协议。2017年6月，美国总统唐纳德·特朗普宣布美国退出旨在应对气候变化的《巴黎协定》。这是一个相当明显的历史短视的例子，符合美国一贯的“美国优先”政策。讽刺的是，美国并不会成为气候威胁的最大受害者，因为受危害最大的将是最贫穷和污染少的国家。

甲烷是一种无色无毒的易燃气体，是在缺氧条件下由有机物分解而自然产生的。这一过程往往发生在海洋、湖泊、河流的底部或极地冰盖之下，也存在于反刍动物的消化系统中，这也是为何羊和牛会影响温室效应。但我承认，我真的很喜欢牛肉和羊肉，因为我不是严格的素食主义者。尽管按比例计算，二氧化碳的排放量更大，但甲烷对地球变暖的贡献要大得多，而畜牧业每年产生100多万吨甲烷，占全球甲烷排放量的四分之一。

在垃圾填埋场以及化石燃料的开采和分配过程中也会产生甲烷。最糟糕的是，全球变暖以一种“自给”的方式陷入了恶性循环。例如：两极冰川冻土的融化将其数千年来储存的大量甲烷释放回大气。到21世纪末，如果一切条件保持不变的话，预计甲烷对气候的影响将超过二氧化碳。

或许通过控制人们对肉类的摄入和消费会改善这一状况。但从全球变暖的角度来看，我一贯的乐观情绪荡然无存。美国是世界上最大的牛肉消费国，仅仅在美国，每人每年便能消费120公斤的牛肉，占到全球牛肉消费量的20%。

汽油的消费量就更不用说了，这个数字简直令人不寒而栗。在美国，每天消耗的石油超过1900万桶，约占世界总消费量的20%。也许我们的美国朋友应该少开车，多运动，并提倡地中海式饮食，这对他们来说不会有什么坏处。然而，美国朋友不太会做出选择，正如他们也不能很好地选择他们的总统，即使做出正确的选择会让他们更健康、更苗条、压力更小，我们的星球也不会因此而处于危险之中……即使只减少20%石油消耗量也好啊。

温室效应的威胁在哪儿呢？我们为什么不让地球变暖呢？全球变暖最显著的后果将是两极冰川的融化和海平面的上升，这将导致沿海地区的洪水，同时，热浪、火灾和干旱也将频繁发生。一些人认为全球变暖也导致了飓风和其他气候灾难的强度增加。在经济方面，全球变暖将使基础设施、旅游业、农业等受到影响。此外，许多动植物物种也会受到影响，生物多样性因此减少。

我们能做什么呢？遏制气候变化的主要责任在于政客和他们制定的法律，我们不要忘记这一点。虽然我并不太相信大多数的政客，也不相信某些国家选举他们的领导人的能力，但至少公民可以做好自己分内的事：尽量使用公共交通工具，减少汽车出行；使用节能家电；少消耗热水；不过度使用空调；可以种树去吸收二氧化碳。我鼓励大家一起行动起来，防止家园过热。正如甘地所说：“我们所做的一切都是微不足道的，但重要的是我们去做了。”

我把“地球为什么会变暖？”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论：

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@19efecev91: 因为地球看到太阳没穿衣服，而自己穿了太多衣服。

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@Geovanny Cardona: 或许是电臀舞让地球变得燥热。

@Jorge Manuel Silva: 因为我在它耳边说了悄悄话。

.39.未来，世界地图是怎样的？

30年前，关于欧洲国家和其首都的地理考试并不是个难题。你只需要记住塞浦路斯的首都是尼科西亚，马耳他的首都是瓦莱塔，其余的首都，听了这么多次，你几乎不用刻意学习就能记住。然而，苏联或南斯拉夫解体后，我们不得不开始熟悉乌兹别克斯坦、马其顿、阿塞拜疆等和它们的首都。国界线变得越来越多，考试也变得更难了。

当然，政治地图的改变算不上什么新鲜事，在人类漫长的历史长河中，伟大的帝国衰落了，新的帝国形成了，新的国家、新的地区、新的首都时不时地冒出来。科学家们关心的却是另一件事：地理地图会改变吗？大陆的形状会改变吗？它们之间的距离会改变吗？简而言之，地球表面的外观会改变吗？在这种情况下，未来的地图会是怎样的呢？

这种变化是肯定的，地球在其整个历史过程中一直都在发生着变化，而未来也将持续地发生变化。事实上，即使我们没有意识到，它也不会停止改变。德国气象学家、地球物理学家阿尔弗雷德·韦格纳率先意识到了这一点，他在1912年提出了大陆漂移理论。和弗朗西斯·培根、亚历山大·冯·洪堡、本杰明·富兰克林等许多科学家一样，引起韦格纳注意的第一件事是，西非和南美东部的形状似乎是互补的，它们就像被数千公里的大西洋分隔开的两块拼图，给人一种两个海岸曾在历史上相连在一起的感觉。而这两个海岸的植物群、动物群和地质情况惊人地相似，似乎再次证明了这一假设：这两个地方曾经相连过。这就是韦格纳的理论。

事实上，现在你所看到的东西并不是一直如此。不仅美洲和非洲曾经是一体的，而且在很久以前（大约3亿年前，在石炭纪末期）所有的大陆都是一体的，只有一个唯一的陆地块，一个原始的超级大陆，也就是所谓的“盘古大陆”。当时存在的唯一的海洋，被命名为“盘古大洋”。这种状态一直持续到大约一亿五千万年前，盘古大陆的各个陆块逐渐分裂漂移，形成了南边的冈瓦那大陆和北边的劳亚大陆，二者被特提斯海分隔。

南美洲、非洲、印度、澳大利亚和南极洲最早出现，欧洲、北美和北亚的出现紧随其后。然而，和许多其他伟大的理论一样，韦格纳的观点一开始并没有被认真对待，他在没有得到认可的情况下去世，直到三十年后，他的观点被重新提出并得到科学界的一致认可。科学界已经确信大陆在运动，并且大陆现在仍然在运动，具体来说，每年2.5厘米，也就是一英寸，和我们指甲生长的速度相同。因此，南美洲和非洲年复一年地、无情地远离对方一英寸的距离。

我们认知中最安全、静止的土地，怎么会移动过这么大的距离，并且现在还在继续移动呢？这是因为大陆是构成岩石圈的巨大构造板块，并漂浮在地球内部的其他物质上，而岩石圈则是地球最外层和最坚硬的部分，厚度在100至250公里之间。板块就像移动岛屿一样，漂浮在熔岩海上，熔岩是一种半流体岩石，被称为“软流圈”，位于地幔的上部。该地区的对流运动是导致大陆运动的原因。

大陆以一种异常缓慢的方式运动，但这种运动却带来十分严重的后果：火山或地震。当构造板块在其连续位移过程中发生碰撞时，通常会发生俯冲，也就是一个板块在另一个板块下面滑动，这种俯冲产生的摩擦使地幔融化。这种现象引起了火山的出现，也逐渐增加了板块所受的张力，从而使板块中产生裂缝，我们称之为“断层”，而地震就在其中发生。

位于加利福尼亚的圣安德列斯断层，就在北美板块和太平洋板块交汇的地方，是所谓的环太平洋火山带的一部分。环太平洋火山带由断层和火山组成，从阿根廷延伸到新西兰，与不同的大陆接壤，环绕着海洋。在该火山带上时常会发生地球上最猛烈的地震（有时，也会引发海啸）。这些灾难成为电影《海啸奇迹》《末日崩塌》《超人》的发生背景。同时，它还造成了人类世界的真实的灾难。在2017年9月，墨西哥发生了7.1级地震，造成324人遇难，还造成了巨大的经济损失。

科学逸事：有史以来最大的地震是1960年瓦尔迪维亚大地震，也被称为智利大地震，矩震级（Mw）高达9.5级。这场灾难夺去了近2000人的生命，并使200多万人无家可归。地球上有一半的人都能感觉到地震，智利普耶胡火山爆发和它引发的强烈海啸几乎影响了整个太平洋，包括夏威夷和日本。同里氏地震震级（ML）一样，矩震级也用来测量和比较地震，它是一种对数尺度（由此看来，对数不仅仅让数学系的学生抓狂）。1979年，托马斯·C.汉克斯和金森广夫提出了这种测量方法，它是基于测量地震释放的总能量来确定震级的。

在几千年前发生过的巨大灾难中，巨大的山脉（乌拉尔山脉、阿特拉斯山脉、亚平宁山脉或阿巴拉契亚山脉）也是由板块的运动和重新排列形成的。比如说，伊比利亚板块和欧洲板块的碰撞形成了比利牛斯山脉，当然，还有地球上最大的山脉喜马拉雅山脉，也是由印度和亚洲北部的碰撞形成。这些板块之间的撞击力非常大，因此才形成了地球上最高的山脉（海拔超过8000米)。同样，大洋海沟也起源于俯冲带。例如：我们已经看到的马里亚纳海沟，它有11千米深，在地壳中的落差比珠穆朗玛峰本身更加明显，尽管它的方向是向下的。

是什么力量推动构造板块撞击其他板块，从而产生俯冲、火山、地震、山脉和深坑等现象的呢？答案是海脊。它们位于地球海洋中部，海拔2000到3000米，那里的岩浆（熔岩）不断地从多个裂缝中喷出。这是地球上新物质产生的地方，还推动了其他物质的产生。火山岛形成了，就像加拉帕戈斯群岛一样，新的海洋岩石圈最终与其他板块相撞。这就是南美洲越来越远离非洲的原因，而未来的地图也将会不断地发生改变。

2.5亿年后，地球会变成什么样子？德克萨斯大学古地图项目的发起者克里斯多福·史考提斯认为未来的地球板块将会大变样。这位地质学家致力于绘制地球在过去一亿年间的地图，以及未来的地图。他认为未来将会出现一个新的超级大陆—“终极盘古大陆”。他相信：随着非洲与欧洲的合并，地中海将会消失，澳大利亚将与亚洲合并，美洲的两个次大陆也将融入这个独特的新大陆。

所以，请脱欧支持者们保持安静吧，毕竟英国仍是一个孤悬于欧洲之外的孤岛。但是你们也要小心，毕竟地中海消失之前，梅诺卡岛只剩下几百万年不到的时间了。

.40.关于宇宙中我们不知道的一切

我们所看到的仅仅是一滴水，但我们看不到的是整片海洋。

—艾萨克·牛顿

有一天，我全神贯注地听我的数学家朋友爱德华多[ 爱德华多·塞恩兹·德·卡贝佐恩：数学家，西班牙拉里奥哈大学的编程课老师。]在一群物理系学生面前谈论暗物质。他是个杰出的人，这不仅因为他是我所认识的最古怪、最有趣的人之一，还因为他勇气可嘉—看看，他居然敢对物理系学生说，他们之所以去学物理，是因为他们不敢学数学！

他半是认真，半是开玩笑，漫谈着暗物质的命名原因：“你们想象一下吧，许多年前，物理学家痴迷于难以预测的星系运动，但他们根本想不明白为什么会如此难以预测……我们该怎么办呢？一个焦虑的物理学家问道。我们总不能直接在论文里写我们自己也不清楚为什么会这样吧，不如就把这种看不见摸不着的东西称为暗物质吧？唔，提议不错，行吧……”当一个人仰望繁星点点的苍穹时，他往往会为宇宙的宏伟与浩瀚而折服。宇宙就像一片点缀着星星的巨大黑暗，我们目光所及的一切都是对过去的虚幻再现—我们所观察到的很多东西或许早已不存在了，消失了，我们看到的不过是它们在数千年前发出的光，而这些光要耽误一些时间，直到这一刻才到达我们眼中。科学中很少有这么浪漫的事情吧。

我们从宇宙中获得的所有信息都是以电磁辐射的形式存在的，这些电磁辐射是我们能用肉眼或技术所捕捉到的，如可见光、红外线、紫外线、无线电波和X射线等等，此外，引力波最近也被成功检测到了。但事实证明，正如不是所有金子都会发光一样，宇宙不仅仅是只会发光的东西，它的很大一部分都隐藏了起来，对我们来说像谜团一般，直到最近才被我们的眼睛和设备发现。

我指的便是暗物质。这是一种构成了27%的宇宙物质能量的物质，既不是暗能量—一种导致宇宙膨胀的反引力，也不是中微子。由于它并不发射任何类型的电磁辐射，如光，因此得名暗物质。由原子组成的传统物质，如构成我们身体的原子、构成我们星球的原子，或者你们正在读的这本书的原子，他们加起来还抵不上整个宇宙的5%。与宇宙中所存在的其他物质相比，我们可以说是绝对惊人的少数派，是如此的渺小卑微。

既然暗物质不发射任何东西，也不与电磁辐射相互作用，那么我们是怎么知道它的存在呢？尽管不能直接探测到暗物质，但科学家能够通过别的痕迹，如它所产生的引力作用，来寻找暗物质。人们对暗物质是如此的无知，以至于有人把它同旧地图上的“未知之地”进行比较。古人认为未知之地中生存着可怕的怪物，但宇宙中并没有像《哈利·波特与火焰杯》中那样的稀有怪物—哦，快让我去去晦气。

天文学家弗里茨·兹威基观察到后发座星系团中有异常运动的迹象，即其运动速度远超出理论预期，因而率先推断出其内部可能存在着一种暗物质。当时的科学界并没有重视他的观察结果，然而这么多年过去了，目前依旧没有任何理论能够解释这种异常现象。

1974年，美国天文学家维拉·鲁宾观测星系转速时，发现围绕星系外测旋转的恒星的运动速度远远超过万有引力定律的理论预期。理论上，离中心最近的恒星应该比离中心较远的恒星旋转得更快。例如：根据开普勒和牛顿定律，海王星绕太阳公转的速度要比水星更慢，然而鲁宾发现这些恒星都以相同的速度运动，位于星系外侧的恒星的运动速度并没有遵循所谓的“旋转曲线”，而是速度更快。

这样一来，便有两种可能：一是我们的万有引力定律出现了错误，我们必须对已经取得重大进展的物理学进行修正；二是宇宙中一定隐藏了某种不发光、我们无法看到的物质，它能够施加引力，改变恒星预期的旋转速度。也就是说，存在这样一种可能性，即这些星系不仅是我们看到的球状物或者发光的螺旋，而是被巨大的质量（甚至比星系总质量大9倍）包围，形成了一个我们无法看到的巨大光环。这种光环被称为“暗物质”，可以用来解释恒星的异常行为。随后，其他现象，如引力透镜、宇宙微波背景中的痕迹或某些星系的运动，都证实了暗物质的存在。暗物质的发现彻底改写了天文学的历史。

凡人亦英雄：1948年，维拉·鲁宾完成了艺术专业的本科学业（这也是当时女性常常被推荐的专业），准备申请进入普林斯顿大学的天文学专业攻读研究生，却因自己的女性身份而遭到拒绝，而该系一直到1975年才开放女性入学。于是，她便申请了康奈尔大学的物理学专业，并因此结识了20世纪最重要的物理学家，如理查德·费曼和汉斯·贝思。鲁宾的博士学位就读于乔治城大学，师从乔治·伽莫夫。在她的博士论文中，她指出星系在宇宙中的位置并不是随机的，而是分布于大的星系团之中。11年后，她离开了乔治城大学，成为华盛顿卡内基科学研究所的终身研究员，并在这里遇到了天文学家肯特·福特，向他解释了哈勃定律以及星系膨胀的偏差。正是研究仙女座星系外围恒星的运动时，她有了自己最伟大的发现—暗物质。

在接下来的几年中，除了继续探究暗物质之外，她还花了很大精力，希望让女性也有机会从事科学事业。不幸的是，她没能获得诺贝尔物理学奖。但是，至少第5726号小行星以鲁宾的名字命名—虽然这远不足以表彰她所做出的贡献。鲁宾的工作鼓舞并将继续激励着全世界成千上万的女性，维拉，我代表她们所有人，谢谢你。

尽管这种奇怪现象已经被命名为“暗物质”，但它的性质仍然是科学界最大的谜团之一。暗物质到底是什么？它又是由什么组成的？我们已经知道，暗物质不发光，不与电磁辐射相互作用，不以相对论速度运动，并且在时间的推移过程中相对稳定……即便如此，当我们着眼于“标准模型”，即目前对构成宇宙的粒子（夸克、电子等）的分类理论，我们会发现已知的宇宙中没有任何东西符合我们所寻求的特征。也有人猜想，暗物质可能是由那些我们已知的却不发光的物质组成的，如不发光的气体或者棕矮星，我们称之为“重子暗物质”（重子是一种由三个夸克组成的粒子）。

科学逸事：当我还在读小学时，就已经学过原子由电子、质子和中子构成。这是道尔顿的理论研究结果之一—我猜大家一定听说过道尔顿，因为我们经常谈论到“色盲”这个词。但从80年代起，一切都变了，就好像在基本粒子的聚会上，不断有新的、外来的客人加入进来，来阐释道尔顿所不能解释的物理现象。比如说，粒子可以根据自身质量而划分为三代，就像族谱一样，每一代都与上一代相同，但规模更大。第一代分别为电子、电中微子、上夸克和下夸克；第二代分别为μ子、μ中微子、奇异夸克和粲夸克；第三代，也就是最后一代，分别为涛子、τ中微子、底夸克和顶夸克。根据不同的划分，粒子的家族简直有《权力的游戏》中的家族那么多。例如：按照它们间的相互作用划分，可以将粒子分为轻子、介子、重子、引力子、强子和胶子等。可见，以前的划分是多么简单啊！现在这些烦琐的分类简直让我感觉像在看欧洲国家的首都一样。

然而，一切似乎都表明，这种暗物质与科学家认知中的普通物质截然不同。现在，世界各地的研究人员都在忙着设计实验来检测这种几乎不与任何物质相互作用的物质。比如说，我们假设大质量弱相互作用粒子（WIMP）只通过弱核力和引力产生相互作用，虽然目前这种粒子仍然停留在理论阶段，但是如果它们存在的话，数量应该会十分庞大，以至于产生我们能够观测到这种效应：每秒钟都会有10的23次方（也就是1后面跟着23个0）个WIMP穿过你的身体。此外，尽管并没有得到证实，但还有另一种可能性，那就是暗物质的组成是轴子，一种质量非常小的粒子，不带电荷，是一种稀有的光子(轴子和光子被认为可以相互转化)。毫无疑问，实验正在变得越来越精细，有些人认为：在未来10年，可能会找到真正能解决问题的实验方案。

就像暗物质的情况一样，许多物理学理论的诞生都是为了阐释已有理论无法解释的新现象，尽管直到许多年后，这些理论的正确性才能被证明。希格斯玻色子概念的提出便是这样，这是一个关于基本粒子的理论。早在1964年，彼得·希格斯便尝试用希格斯玻色子来研究物质拥有质量的根本原因，并且解释质量同加速度间的负相关—当物体的质量越大，就越难使它运动或者静止。多年来，希格斯玻色子的存在一直停留在理论层面，这位杰出的物理学家直至退休都没能见到自己的理论被证实。将近50年后，他以前的学生在希格斯家中将希格斯玻色子成功发现的消息告诉了他。他们喜极而泣的视频，可以说是我记忆中与科学有关的最感人的画面了。

希格斯玻色子构成了希格斯场。希格斯玻色子不具有自旋，不带电荷，也没有颜色，极其不稳定且分解得很快，半衰期大约是每秒1万亿次。它出现在大爆炸的万分之一秒后，在物质存在之前便已存在，并将继续存在于宇宙中。

2013年3月14日，在无数次的研究后，欧洲核子研究组织的大型强子对撞机ATLAS和CMS证实了希格斯的理论，这也让希格斯和弗朗索瓦·恩格勒一起获得了诺贝尔物理学奖。

1993年，诺贝尔奖得主利昂·马克斯·莱德曼和迪克·特里西合著了一本有趣的书，讲述了自古代以来基本粒子科学的历史，并给书起名为《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》。媒体被“上帝粒子”这个名字吸引住了，并且选择沿用这一绰号来称呼它，尽管希格斯玻色子本身并无任何神圣之处。希格斯本人很不喜欢这样的宗教化处理。后来，莱德曼试图道歉，他向媒体保证，这本畅销书的原名本来是《该死的粒子》，因为它真的很难被找到。

尽管我们不知道暗物质究竟是什么，但它在物理学中具有根本的重要性，在构建宇宙模型，研究星系的形成、演化和运动以及宇宙本身时都应考虑暗物质的存在。人们常说暗物质主宰着宇宙（因为确实如此），但它同时也是我们尚未理解的科学前沿之一。或许，我们永远无法发现一切，因为宇宙中总会有隐藏起来的一面。在同原力的斗争中，阿纳金·天行者（《星球大战》中的主角）几乎战无不胜，而在同科学的抗争中，科学家永不屈服，继续探索自然，揭开它最后的黑暗秘密。